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T I R I S T O R E S
SCRs - TRIACs
SCRs
O SCR (tiristor) é um componente eletrônico semicondutor que trabalha de forma semelhante a um diodo, ou seja, permite a passagem da corrente em um único sentido, mas no início de sua condução é regulado por um eletrodo especial, que recebe o nome de gate (porta).
O gate, através de um impulso elétrico, permite então a condução do SCR.
O SCR é formado por uma estrutura de 4 regiões semicondutoras PNPN. Se dividirmos essa estrutura em duas partes, veremos que cada uma delas forma um transistor.
O SCR (Silicon Controlled Rectifier) é conhecido como tiristor. O nome tiristor é proveniente do inglês THYRISTOR (thyratron + transistor, onde o thyratron é um retificador a gás usado antigamente).
A aplicação principal do SCR está no chaveamento eletrônico, onde as tensões de bloqueio e controle de corrente de um transistor não são suficientes. Veja a seguir a estrutura das quatro regiões semicondutoras de um tiristor ou SCR.
Observa-se na figura acima duas junções PN; a primeira forma a anodo e a última o catodo.
A região que fica junto ao catodo é o gate (porta) que tem a função de levar o dispositivo à condução.
Como essas regiões são divididas em duas partes formando cada uma delas um transistor, observamos que temos um transistor PNP que é constituído pelo anodo e suas regiões contíguas e um outro transistor NPN, que é constituído pelo catodo e as duas regiões acima dele.
Esses transistores são unidos eletricamente nas seguintes regiões:
**- a base do PNP com o coletor do NPN
- o coletor do PNP com a base do NPN**
Veja na figura a seguir a estrutura dessa ligação.
O circuito assim obtido forma uma estrutura fortemente realimentada, e dessa forma, qualquer sinal de corrente aplicado ao gate é amplificado e sai pelo coletor do transistor NPN. a) O sinal é então aplicado à base do PNP e é amplificado novamente em seu coletor. b) Este coletor coincide com o terminal gate, fechando o ciclo de realimentação positiva. c) O crescimento muito rápido da corrente faz com que o dispositivo entre em saturação. d) Nestas condições temos entre o emissor do transistor PNP que coincide com o anodo e o emissor do transistor NPN que forma o catodo uma impedância muito pequena. e) Dessa forma a entrada em condução do SCR depende do sinal aplicado no gate. f) Uma vez em condução, o sinal aplicado no gate perde o controle sobre a corrente que se forma entre o anodo e o catodo, uma vez que, a própria realimentação interna mantém a condução. g) Pode-se portanto, suprimir o sinal de gate sem influir de modo algum sobre a condução do SCR. h) Para que o SCR entre em condução é necessário que o anodo se torne mais positivo que o catodo.
Simbologia:
Com Sw aberta o tiristor estará bloqueado pois a secção de passagem S2 opera em bloqueio.
Acionando-se Sw o bloqueio de S2 será eliminado e o tiristor conduzirá, circulando corrente pela carga.
Nestas condições o tiristor comutou no sentido de condução (teoricamente A-K), passando a corrente pela carga.
Como vimos anteriormente, após a condução a tensão de gate pode ser removida, no entanto, para que as condições de condução sejam mantidas torna-se necessário uma pequena corrente de manutenção, que denominamos I (^) H (holding current).
Uma corrente abaixo de I (^) H leva o SCR ou tiristor ao corte (condição de bloqueio).
FORMAS MAIS COMUNS PARA RETORNAR À CONDIÇÃO DE BLOQUEIO:
a) Interrupção da corrente A-K b) Redução de I (^) H c) Aplicação de pulso negativo no gate d) Curto momentâneo entre A-K
DISPARO POR CORRENTE DE GATE (IG):
Nestas condições IG 3 > IG 2 > IG 1
a) quando IG=0, a tensão aplicada deve atingir a tensão de disparo (break-over); b) ao ser injetada uma corrente no gate, a tensão de disparo vai diminuindo; c) isto significa que se pode disparar o SCR (tiristor) com tensões menores do que a tensão de disparo, controlando o disparo pela corrente aplicada no gate; d) para que o SCR continue conduzindo a corrente I (^) D não poderá ser reduzida abaixo de I (^) H.
CIRCUITO EXPERIMENTAL – SCR COMO CHAVE EM CIRCUITOS CC
a) inicialmente não haverá corrente no SCR e na carga, pois teremos a condição de bloqueio; b) fechando e abrindo Sw1, o SCR conduzirá e teremos corrente na carga e no SCR; c) fechando-se Sw2, cessará a corrente no SCR e somente haverá corrente na carga; d) abrindo-se Sw2, não haverá corrente na carga e no SCR, pois voltará à condição inicial (bloqueio).
CIRCUITO EXPERIMENTAL: SCR CONTROLANDO AC
Se mantivermos o SCR disparado (basta para isso comutar Sw1), somente os semiciclos positivos são conduzidos e aparecerão na carga. No entanto, podemos aplicar um pulso de tensão no gate de tal forma a fazê-lo conduzir apenas por alguns instantes.
A figura a seguir mostra a condição de disparo no final do semiciclo, onde a potência desenvolvida na carga é mínima.
A figura a seguir mostra a condição de disparo no início do semiciclo, onde a potência desenvolvida na carga é máxima.
CONCLUSÃO: Modificando-se o ângulo de disparo do semiciclo (início, meio ou fim), controla-se a potência desenvolvida na carga.
Como o ângulo de disparo pode ser controlado pela constante RC, se substituirmos R por um potenciômetro, podemos variar a potência na carga, como por exemplo, o controle de luminosidade de lâmpadas incandescentes.
O SCR atua como uma espécie de relê eletrônico, ligando e desligando uma carga a partir de pequenas correntes; é o caso específico do circuito controlador AC visto anteriormente, onde, mantendo a polarização de gate fixa e aplicando-se AC à entrada, na carga estarão presentes somente os semiciclos positivos. Lembrar que, com polarização de gate externa, o SCR começará a conduzir quando entre anodo e catodo tivermos uma tensão de aproximadamente 2 volts.
INTERFERÊNCIAS: Como o SCR é um dispositivo de comutação rápida, durante o processo de comutação são gerados sinais indesejáveis propagando-se pelo espaço ou pela própria rede de alimentação interferindo em receptores de rádio e televisores.
Circuitos que utilizam SCRs causam interferências e estas devem ser eliminadas. A forma mais comum de se eliminar interferências, tanto do aparelho interferido ou interferente é a utilização de um filtro, que serve para evitar essas interferências através da rede.
No caso das interferências que se propagam pelo espaço na forma de ondas eletromagnéticas, o aparelho interferente deve ser blindado, ligando-se sua carcaça ou chassi à terra.
A figura a seguir mostra um filtro muito utilizado para evitar interferências que se propagam pela rede de alimentação.
C1 = 100nF/400V C2 = 100nF/400V L1 = L2 = 50 a 60 espiras de fio de cobre esmaltado bitola 18, enrolados num bastão de ferrite 10mm∅, com 5 a 10cm. de comprimento.
Ligado em série com o aparelho interferido, o filtro evita que os sinais interferentes que venham pela rede cheguem até ele. Ligado em série com o aparelho interferente (que usa o SCR), o filtro evita que as interferências geradas saiam do aparelho e se propaguem pela rede.
A figura a seguir mostra um SCR com encapsulamento T0-220AB (plástico), fabricado pela STMicroelectronics.
Sua corrente de operação é de 10A e sua tensão de trabalho pode variar de 200V até 1.000V (TYN210=200V; TYN410=400V; TYN610=600V; TYN810=800V e TYN1010=1.000V).
Um outro SCR muito usado é o TIC 106, cuja corrente de operação é de 5A, para uma tensão de trabalho que varia de acordo com a letra que lhe é atribuída: TIC 106D = 400V TIC 106M = 600V TIC 106S = 700V TIC 106N = 800V
O capacitor carrega-se através do potenciômetro e do resistor de 100k, até atingir uma determinada tensão, suficiente para disparar a lâmpada neon NE-2. A NE-2 tem uma tensão de disparo da ordem de 70V.
A figura a seguir mostra um circuito oscilador (relaxação) com lâmpada Neon NE-2 (disparo entre 56 a 70V)
FUNCIONAMENTO DE UMA LÂMPADA NEON NE-
a) quando Sw é acionada o capacitor começa a carregar-se através de R, até atingir a tensão de disparo da NE-2;
b) quando ocorre o disparo, a resistência entre os eletrodos da NE- torna-se praticamente nula, fazendo com que o capacitor descarregue-se através dela;
c) como resultado, temos a forma de onda mostrada ao lado, onde se observa que o tempo de carga é maior do que o tempo de descarga, levando- se em conta as constantes de tempo RC.
A constante de tempo de carga é:
τ = RC = (10.10 3 ).(1.10 _6) = 10ms
Quando a lâmpada neon dispara a resistência entre seus eletrodos é da ordem de alguns ohms, por isso, o tempo de descarga é infinitamente menor. Dessa forma origina-se uma onda com o aspecto de uma “dente de serra”.
O diodo 1N4002, evita que picos de tensão negativos cheguem ao gate, evitando que o tiristor seja momentaneamente bloqueado, em outras palavras, evita a inversão da corrente de gate.
Se for usada uma lâmpada até 40W não é necessário utilizar um dissipador de calor para o SCR; acima disso um dissipador de calor com bom acoplamento térmico torna-se necessário.
O potenciômetro de 2M2 ajusta a velocidade das piscadas da lâmpada, ou seja, a freqüência. O capacitor a ser utilizado é do tipo cerâmico ou poliéster, com isolação mínima de 400V. Em virtude do circuito não ser isolado da rede, o mesmo deve ser manuseado com cuidado para evitar choques elétricos.
A figura a seguir mostra o aspecto físico do SCR MCR106-
O MCR106 é fabricado pela Motorola e apresenta duas tensões de operação: MCR106-6 – 400V MCR106-8 – 600V
APLICAÇÃO: ALARME 1
O circuito mostra um dispositivo de alarme simples. Quando qualquer uma das chaves Sw1 a Sw3 (reed-switch) for acionada o SCR dispara, fazendo com que o rele atraque, acionando um alarme.
A figura a seguir mostra o aspecto de um “reed-switch” e suas características de funcionamento.
NA = normalmente aberto
A figura a seguir mostra um reed-switch com dois contatos, onde em relação ao eletrodo comum, um é NA e outro NF (normalmente aberto e normalmente fechado respectivamente).
A lâmina que representa o eletrodo comum movimenta-se de acordo com a polaridade magnética que lhe é imposta externamente.
APLICAÇÃO: CARREGADOR DE BATERIA
O circuito a seguir mostra o SCR atuando como regulador de carregador de bateria, ou seja, indicador de bateria carregada.
FUNCIONAMENTO:
1 – D1 e D2, formam um retificador de onda completa. 2 – Quando a tensão da bateria for baixa, o diodo zener não conduz, pois a tensão Vr (referência) é baixa para permitir a condução do mesmo. 3 – Nestas condições o diodo zener é efetivamente um circuito aberto, mantendo assim o SCR2 desligado. 4 – Quando a bateria começa a carregar-se sua tensão vai aumentando e aumenta também a tensão de referência Vr, fazendo com que o diodo zener conduza, disparando SCR2. 5 – Assim, SCR2 corresponderá a um curto-circuito, resultando no divisor de tensão formado por R1 e R2, que manterá a tensão V2 em um nível muito baixo, não permitindo mais a condução de SCR1. Lembrar que, o diodo D3 somente conduzirá se o seu anodo for mais positivo do que o catodo. Quando o SCR2 dispara, praticamente temos a metade da tensão em V2, devido aos resistores que formam o divisor de tensão ( R1 e R2) serem iguais. Em relação à tensão na saída do retificador (que alimenta o anodo de SCR1) e a tensão V2, a tensão no anodo de D3 é menos positiva do que a tensão no seu catodo. 6 – Quando isto ocorre, indica que a bateria está completamente carregada e como o SCR1 está bloqueado, resultará na interrupção da corrente de carga. 7 – O capacitor C1 evita oscilações bruscas de tensão, evitando o disparo acidental de SCR2. 8 – CONCLUSÃO: o regulador (controle) recarrega a bateria sempre que a tensão cai e evita a sobrecarga quando ela está completamente carregada.
a bateria e da potência, uma vez que é ele que determina a taxa de carga da bateria. Lembrar que, a bateria estará sendo carregada apenas quando o anodo de D1 for mais positivo do que seu catodo. 5 – Havendo falta de energia, o capacitor C1 se descarregará através de D1, R1, R3 e R2 e também pela resistência da lâmpada, até que o catodo do SCR seja menos positivo do que o seu anodo e ao mesmo tempo, o nó formado pelos resistores R2 e R3 se tornará positivo, estabelecendo uma tensão suficiente no gate-catodo do SCR para dispará-lo. 6 – Uma vez disparado, a bateria se descarregará através do SCR mantendo a lâmpada acesa. 7 – Ao voltar a energia, o capacitor C1 voltará a carregar-se, retornando à situação inicial, restabelecendo o bloqueio do SCR.
A figura a seguir mostra o aspecto físico de tiristores de alta corrente e portanto, alta potência, produzindo alta dissipação de calor. Os mesmos possuem corpo metálico dotados de rosca para fixação em dissipador de calor.
SKT 10 SEMIKRON
Corrente de operação (I (^) TAV ) – 10A Corrente máxima (I (^) TRMS ) 30A Tensão (V (^) RRM , V (^) DRM ) SKT 10/06D = 600V SKT 10/08D = 800V SKT 10/12E = 1.200V
SKT 40 SEMIKRON
Corrente de operação (I (^) TAV ) – 40A Corrente máxima (I (^) TRMS ) 63A Tensão (V (^) RRM , V (^) DRM ) SKT 40/04D = 400V SKT 40/06D = 600V SKT 40/08D = 800V SKT 40/12E = 1.200V SKT 40/14E = 1.400V SKT 40/16E = 1.600V SKT 40/18E = 1.800V
SKT 300 SEMIKRON
Corrente de operação (I (^) TAV ) – 300A Corrente máxima (I (^) TRMS ) 550A Tensão (V (^) RRM , V (^) DRM ) SKT 300/04D = 400V SKT 300/08D = 800V SKT 300/12E = 1.200V SKT 300/14E = 1.400V SKT 300/16E = 1.600V
Significado de alguns parâmetros importantes: I (^) TRMS = máxima corrente alternada eficaz condutível I (^) TAV = máxima corrente contínua em condução V (^) TM = tensão direta máxima em condução (180º) V (^) RRM , V (^) DRM = tensão reversa máxima repetitiva aplicável sem produzir condução. Em outras palavras, é a tensão máxima que pode aparecer nos terminais de um SCR quando ele se encontra desligado. Esse tensão é denominada também de tensão de trabalho. V (^) RSM = tensão reversa máxima de surto 1 (pode ocorrer a destruição do tiristor).
(^1) Surto - Variação brusca e momentânea da corrente ou da tensão de um circuito elétrico.
I (^) GT = corrente mínima de gate para produzir condução I (^) GD = corrente máxima de gate aplicável sem produzir condução V (^) GT = tensão de gate necessária para produzir condução V (^) Gtmax = tensão de gate máxima para condução V (^) Gtmin = tensão de gate mínima para garantir corrente de condução
Quando as correntes e potências envolvidas são mais elevadas, são utilizados tiristores (SCRs) com formato tipo “cápsula” (Capsule Thyristor), conforme ilustra a figura a seguir:
SKT 240 – SEMIKRON
Corrente de operação (I (^) TAV ) – 240A Corrente máxima (I (^) TRMS ) 600A Tensão (V (^) RRM , V (^) DRM ) SKT 240/04E = 400V SKT 240/08E = 800V SKT 240/12E = 1.200V SKT 240/14E = 1.400V SKT 240/16E = 1.600V SKT 240/18E = 1.800V
SKT 551 SEMIKRON
Corrente de operação (I (^) TAV ) – 550A Corrente máxima (I TRMS ) 1.200A Tensão (V (^) RRM , V (^) DRM ) SKT 551/08E = 800V SKT 551/12E = 1.200V SKT 551/14E = 1.400V SKT 551/16E = 1.600V SKT 551/18E = 1.800V
SKT 2400 SEMIKRON
Corrente de operação (I (^) TAV ) – 2.400A Corrente máxima (I (^) TRMS ) 5.700A Tensão (V (^) RRM , V (^) DRM ) SKT 2400/12E = 1.200V SKT 2400/14E = 1.400V SKT 2400/16E = 1.600V SKT 2400/18E = 1.800V
TRIACs
O TRIAC é um componente semicondutor que nasceu da necessidade de se dispor de um interruptor controlado, que apresentasse as características funcionais de um SCR, mas que permitisse o controle do ciclo completo da corrente alternada. A palavra TRIAC é uma abreviação da denominação inglesa Triode AC que significa triodo para corrente alternada. Como o próprio nome indica, o componente dispõe de três eletrodos.
O circuito equivalente é mostrado na figura a seguir.
A figura a seguir mostra o aspecto físico de um TRIAC largamente utilizado, o TIC 226.
ESPECIFICAÇÕES PARA O TIC 226
Corrente de operação RMS = 8A TIC 226D = tensão de trabalho: 400V TIC 226M = tensão de trabalho: 600V TIC 226S = tensão de trabalho: 700V TIC 226N = tensão de trabalho: 800V
OBS: o terminal MT2 para esse tipo de TRIAC é interligado à base metálica do mesmo, a qual deve ser acoplada a um dissipador de calor, caso o mesmo opere com correntes e potências elevadas.
A figura a seguir mostra uma forma de ligar um TRIAC.
Usa-se apenas em corrente alternada (AC), e sua forma clássica de disparo é aplicando-se uma tensão positiva ou negativa no gate, o que permite fazer com que o mesmo dispare em qualquer dos semiciclos.
Tensão típica de disparo: 2V Corrente de disparo: entre 10 e 200mA
FORMAS DE DISPARO:
Existem 4 modos diferentes para disparo de um TRIAC, levando-se em conta que o referencial é sempre o MT1.
- Neste caso o terminal MT2 estará positivo em relação a MT1: tensão de gate positiva, provocando a entrada de corrente através deste terminal cujo sentido é considerado positivo;
Neste caso o terminal MT2 estará positivo em relação a MT1: a corrente de gate sai do componente e neste caso temos uma tensão de gate negativa;
Neste caso o terminal MT2 estará negativo em relação a MT1: e a tensão de gate positiva, ou seja, com a corrente entrando no componente;
Neste caso o terminal MT2 estará negativo em relação a MT1: e a tensão de disparo será através de um pulso negativo.
Nas modalidades 1 e 4 obtém maior sensibilidade de disparo para o TRIAC em relação às outras possibilidades.
Na modalidade 3 a sensibilidade é decididamente menor e na modalidade 2 é ainda mais reduzida. Na modalidade 2 somente deverá ser utilizada em TRIACs concebidos especialmente para esse fim.
ESPECIFICAÇÕES MAIS COMUNS PARA OS TRIACs: Da mesma forma que nos SCRs precisamos conhecer alguns parâmetros dos TRIACs para o desenvolvimento de projetos:
Tensão máxima de trabalho (VDRM ): É máxima tensão que pode aparecer nos terminais de um TRIAC, quando ele se encontra no estado de não condução (desligado). Para a maioria dos casos esse valor refere-se à tensão de pico de uma tensão senoidal, já que a aplicação principal do dispositivo é em tensões alternadas.
Corrente máxima (ITRMS): Trata-se do valor eficaz da corrente alternada
Corrente de disparo (IGT ): É a corrente necessária para disparar o TRIAC. É muito importante saber o máximo valor dessa corrente, geralmente especificada pelo fabricante, para evitar danos ao mesmo.
DIFERENÇA IMPORTANTE ENTRE SCRs E TRIACs: A diferença mais importante entre o funcionamento de um TRIAC e de um SCR é que o SCR somente conduzirá pelo período de meio ciclo, quando for corretamente disparado, bloqueando-se quando a corrente muda de polaridade; no TRIAC essa condução se dá nos dois semiciclos e somente ocorrerá o bloqueio quando a corrente passa pelo valor zero (ou muito próximo a ele).
Isto implica numa pequena perda do ângulo de condução, mas não acarreta problemas se a carga for resistiva, onde temos a corrente em fase com a tensão.
No caso de cargas reativas enrolamento de um motor, por exemplo), é preciso levar em conta no esquema do circuito que, no momento em que a corrente passa pelo zero, não coincide com a mesma situação da tensão aplicada. Isto acontece porque nesses momentos ocorre impulsos de tensão entre os dois terminais do TRIAC.
