aula-2017-7-tiristores

Prévia do material em texto

Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
7. Tiristores
 
 
Tiristor é o nome usado para designar uma família de
componentes de quatro camadas (P-N-P-N). Nesta seção serão
abordados os tiristores SCR e TRIAC. Embora o GTO seja também
um tiristor, ele será abordado na seção de chaves controláveis.
 
7.1 O SCR
 
O SCR – Silicon Controled Rectifier – é o mais antigo dispositivo
semicondutor de potência, possui construção simples, ainda hoje
é o dispositivo capaz de manipular as mais altas potências. É
possível encontrar no mercado dispositivos que podem suportar
vários Kilovolts e vários Kiloampères. Entretanto, como
mencionado na tabela 1, somente seu ligamento pode ser
controlado.
 
A figura seguinte mostra o símbolo do SCR, juntamente com sua
característica estática (idealizada).
 
 
 
 
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
Figura 7.1 O SCR e sua característica estática Fonte: Apostila
SENAI Eletrônica, 2007, p. 97.
 
Além de possuir anodo e catodo como os diodos, o SCR possui
um terminal de controle, o gate. Desta forma, o SCR comporta-se
como um “diodo controlável”, sendo capaz de bloquear tensões
positivas e negativas. No estado de condução do SCR real, a
queda de tensão direta (VT) é bastante pequena, da ordem de 1
a 3V, mesmo nos dispositivos capazes de suportar vários
Kilovolts.
 
O ligamento do SCR é feito através do terminal Gate (porta ou
gatilho), onde deve ser aplicado um pulso de corrente positiva
em relação ao catodo, com amplitude e duração suficientes. O
SCR entrará em condução se estiver sob polarização direta anodo
– catodo, e manterá seu estado de condução se, antes de ser
retirada a corrente de gate, a corrente de anodo for superior ao
valor chamado corrente de travamento (latching), IL . Caso
contrário o SCR retoma o estado de bloqueio.
 
A figura seguinte ilustra o processo de ligamento do SCR. Como
pode ser observado, existe um tempo de atraso td entre o
estabelecimento da corrente de gate e o início do crescimento da
corrente de anodo. O tempo tr refere-se ao intervalo de
decaimento da tensão anodo-catodo de 90% para 10% de seu
valor inicial. O tempo de ligamento ton é a soma de td e tr.
Figura 7.2 Processo de ligamento do SCR Fonte: Apostila SENAI
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
Eletrônica, 2007, p. 98.
No processo de ligamento, é importante limitar a taxa de
crescimento da corrente (di/dt) no dispositivo, sob pena de
formação de pontos quentes (“hot spots”) próximos ao gate com
a conseqüente destruição do componente.
 
Não é possível realizar o desligamento do componente pelo
terminal de gate. Inclusive, após o disparo, a corrente de gate
pode ser retirada sem comprometer a condição de condução do
SCR. Há dois meios de efetuar o bloqueio do SCR:
 
Comutação natural: neste caso, a corrente de anodo
naturalmente cai abaixo do valor mínimo chamado corrente de
manutenção IH – (Holding Current), o que dá início à comutação.
Em aplicações CA, isto ocorre automaticamente nas passagens
por zero da forma de onda corrente.
 
Comutação forçada: neste caso, o tiristor é reversamente
polarizado por um circuito auxiliar (chamado circuito de
comutação forçada) ou, às vezes, pelo próprio circuito de
potência. O processo de bloqueio é semelhante ao dos diodos.
 
Depois de se anular, a corrente de anodo se inverte durante o
intervalo trr. Para que o SCR mantenha seu estado de bloqueio,
ele somente pode receber nova polarização direta após passado
um tempo superior a tq (tempo de comutação), o qual é igual à
soma de trr e tgr, o tempo de recuperação de gatilho. O tq é
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
dependente da temperatura e da corrente direta, dentre outros
parâmetros.
 
A figura seguinte ilustra o processo de bloqueio do SCR,
juntamente com a indicação dos tempos relevantes.
 
Figura 7.3 Processo de bloqueio do SCR Fonte: Apostila SENAI
Eletrônica, 2007, p. 99.
 
Após completo o processo de comutação, é importante limitar a
taxa de subida da tensão no dispositivo (dv/dt), sob pena de
ligamento indevido. Devido à presença da capacitância de
junção, a corrente de deslocamento causada por uma taxa dv/dt
elevada pode provocar o disparo acidental do SCR. Para evitar
esse problema, deve ser externamente ligado ao SCR um circuito
que reduza essa taxa, chamado circuito “snubber”, o qual
consiste num circuito RC série.
 
Dependendo das necessidades da aplicação, vários tipos de SCRs
são disponíveis:
 
SCRs de frequência de rede: também conhecidos por “phase
control SCRs”, são utilizados em retificadores controlados e como
chave eletrônica CA. Os parâmetros mais importantes são as
capacidades de tensão e corrente e a queda de tensão direta. Em
favor de uma pequena queda de tensão direta, o tempo de
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
comutação tq não é otimizado, variando entre 50 e 300μs. Este
tipo de SCR pode ser encontrado para operar em tensões de até
5-12kV e correntes de até 3-4kA, aproximadamente.
 
SCRs rápidos: também conhecidos por “inverter type SCRs”, são
projetados para utilização em choppers e inversores, e desta
forma possuem um tempo de comutação reduzido (2 a 50μs) . A
utilização destes tiristores está sendo abandonada devido à
performance muito superior dos transistores IGBT e MOSFET de
potência. Apenas são utilizados em potências muito elevadas.
Os tempos de l igamento e desligamento dos SCR são
relativamente elevados, o que produz consideráveis perdas por
comutação. Por isso, a utilização de SCRs é restrita a aplicações
de frequência não muito elevadas.
A necessidade de circuitos de comutação forçada e a menor
velocidade são as grandes desvantagens dos SCRs. Nos dias de
hoje, devido aos avanços na tecnologia dos transistores de
potência MOSFET e IGBT, o SCR tem sua utilização restrita a
circuitos retificadores de linha, relés de estado sólido e
conversores de
 
altíssimas potências (na casa das dezenas de MVA), como
transmissão de energia CC em alta tensão (HVDC), acionamento
de grandes motores de vários MVA, ETC.
 
A tabela seguinte ilustra resumidamente as características de
alguns dispositivos.
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
Tabela 7.1 Características elétricas de alguns dispositivos
 
A seguir estão os significados dos parâmetros mais importantes.
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
VDRM
VRRM
VRSM VR VT
(dv/dt)cr
ITSM
ITM ou
ITRM IT ou
ITAV ITRMS
i2 t
 
IR IRD IL IH
(di / dt) cr
tq tgr
td ou tgd tr
ou tgr tON
ou tgt trr
IRM
Qrr
PTOT ou
PD(AV)
Tj
Rthjc ou
RθJC rT
IGT VGT
VGRM IGD
 
VGD
 
 
PGM
PG(AV)
IGTM ou
IGSM
- Tensão direta repetitiva
- Tensão reversa repetitiva
- Tensão de surto reversa não repetitiva
- Tensão reversa contínua
- Queda de tensão direta com o SCR em
condução
- Máxima taxa de crescimento da tensão
- Corrente de surto direta não repetitiva
- Corrente de surto direta repetitiva
- Corrente direta média
- Corrente direta eficaz
- Este valor é utilizado para selecionar o
fusível de proteção, que deve possuir um i2t
menor do que o do SCR.
- Corrente reversa (corrente de fuga)
- Corrente direta com o SCR bloqueado
(corrente de fuga)
- Corrente de travamento (latching
current)
- Corrente de manutenção (holding
current)
- Máxima taxa de crescimento da corrente
- Tempo de comutação
- Tempo de recuperação de gate
- Tempo de atraso no ligamento
- Tempo de decaimento da tensão anodo –
catodo
- Tempo de ligamento
- Tempo de recuperação reversa
- Pico da corrente de recuperação reversa,
é dado para valores de temperatura, IF e diF
/ dt específicos.
 
- Carga que flui para no circuito durante ointervalo trr
- Dissipação de potência
- Faixa de temperatura de operação da
junção
- Resistência térmica entre a junção –
encapsulamento em ºC / W
- Resistência ôhmica do tiristor
- Mínima corrente de gate para o disparo
- Mínima tensão de gate para o disparo
- Tensão reversa que pode ser aplicada à
junção G-K
- Máxima corrente de gate que certamente
não provocará o disparo (“gate non-trigger
current”)
- Máxima tensão de gate que certamente
não provocará o disparo (“gate non-trigger
voltage”)
 
- Pico de potência de gate
- Potência média de gate
- Corrente de gate
 
 
7.2. Triac
 
O TRIAC – “Thyristor AC” pode ser interpretado como a conexão
de dois SCRs em anti-paralelo. O componente é bidirecional em
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
corrente e tensão, possuindo os terminais de carga MT1 e MT2
(MT = “Main Terminal”), bem como o terminal de gate.
O maior problema do TRIAC é que sua capacidade de dv/dt é
muito baixa, tipicamente 5 a 20V / μs, contra 100 1000 V/ μs nos
SCRs. Além disso, somente estão disponíveis dispositivos para
correntes de apenas aproximadamente 40 Arms. Esses fatores
seriamente limitam sua capacidade de controle de potência, mas
não impedem sua ampla e difundida utilização em aplicações CA
de baixa potência.
A figura seguinte mostra o símbolo do TRIAC, juntamente com
sua característica estática idealizada. Como pode ser observado,
é um dispositivo que opera em todos os quadrantes do plano v x
i. Sendo um tiristor, possui característica de travamento, isto é,
uma vez em condução a corrente de gate pode ser retirada.
 
 
 
 
Figura 7.4 O TRIAC e sua característica v x i Fonte: Apostila SENAI
Eletrônica, 2007, p. 101.
 
O processo de bloqueio é similar ao do SCR. Embora com
sensibilidades diferentes, o TRIAC pode ser disparado tanto com
correntes positivas quanto negativas no gate, mas sempre em
relação a MT1. Como o TRIAC pode conduzir em ambas as
direções, em aplicações CA ele somente dispõe de um breve
intervalo de tempo para recuperar sua condição de bloqueio na
passagem por zero da forma de onda senoidal de corrente, o que
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
limita seu emprego confiável em frequências de até 60HZ.
 
Quando aplicado no controle de cargas indutivas, o atraso da
corrente em relação a tensão implica que quando a corrente cai
abaixo da corrente de manutenção IH e o TRIAC bloqueia, surge
sobre os terminais do mesmo certa tensão. Se esta tensão surge
muito rapidamente, o TRIAC retoma o estado de condução e o
controle é perdido. A fim de evitar esse problema, a taxa dv / dt
de subida da tensão deve ser limitada através de uma rede RC
série ligada aos terminais do componente (circuito “snubber”).
Na prática, em aplicações de alta potência, quando é necessário
efetuar o controle bidirecional de correntes mais elevadas,
utilizam-se dois SCRs ligados em anti- paralelo.
A designação dos parâmetros dos TRIACs são semelhantes às dos
tiristores. A tabela seguinte mostra resumidamente as
características de alguns dispositivos.
Tabela 7.2 Características elétricas de alguns dispositivos
 
7.3 Diac
 
Os diacs são diodos de disparo bidirecional, composto por três
camadas (PNP) com a simples função de disparar tiristores.
 
Sua construção assemelha-se a de um transistor bipolar, porém
difere na dopagem do cristal N.
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
Seu funcionamento é simples: Para passar do estado de bloqueio
para o estado de condução, é preciso ultrapassar a tensão de
ruptura (VR), rompendo assim, a junção polarizada 
inversamente, podendo a corrente fluir em ambos sentidos.
Para voltar ao estado de bloqueio, basta remover a tensão por
alguns instantes. Os diacs servem para controlar o disparo de
triacs quando uma tensão de referência chegar a certo valor.
 
 
 
Figura 7.4 O DIAC e sua simbologia
Fonte: Apostila SENAI Eletrônica, 2007, p. 112.
 
 
7.4. UJT Transistor unijunção
 
Os UJT (Unijunction Transistor) podem ser utilizados em
osciladores de baixa frequência, disparadores, estabilizadores,
geradores de sinais dente de serra e em sistemas temporizados.
Figura 7.5 O UJT Fonte: Apostila SENAI Eletrônica, 2007, p. 117.
 
 
Constituição Interna
 
Basicamente o transistor de unijunção é constituído por uma
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
barra de material semicondutor do tipo N (de alta resistividade)
com terminais nos extremos. Tais contactos não constituem
junções semicondutoras, e assim, entre B2 (base 2) e B1 (base 1)
temos, na prática uma resistência, formada pelo material
semicondutor N. O material do tipo P como material do tipo N
formam a única junção PN semicondutora interna.
Figura 7.6 O UJT - Constituição Interna
Fonte: Apostila SENAI Eletrônica, 2007, p. 117.
 
 
Tudo se passa como se o bloco do tipo N fosse formado por duas
simples resistências (Rb2 e Rb1), em série, tendo ligado no seu
ponto central um diodo (terminal E ou Emissor).
O terminal do emissor (E) está mais próximo da base 2 (B2).
Princípio de funcionamento
Figura 7.7 O UJT – Princípio de funcionamento Fonte: Apostila
SENAI Eletrônica, 2007, p. 118.
 
 
O valor resistivo normal entre os terminais da base 2 e 1 é
relativamente alto (tipicamente entre 4 K e 12 K). Assim, se
ligarmos o terminal B2 a um potencial positivo (tipicamente entre
6 e 30 Volt), e o terminal B1 ao negativo, uma corrente muito
pequena circulará por Rb2 e Rb1. Ao mesmo tempo, Rb2 e Rb1
formam um divisor de tensão, em cujo ponto intermédio surge
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
uma tensão menor, porém proporcional àquela que foi aplicada a
B2. Suponhamos que Rb2 e Rb1 têm valores iguais, de 5 K cada
um. Assim, se aplicarmos (com a polaridade indicada) 10 Volt
entre B2 e B1, o “cátodo” do “diodo” do emissor terá uma tensão
de 5 Volts. Ao aplicarmos, então, uma tensão de entrada no
emissor (E) do UJT, esta terá que, inicialmente vencer a barreira
de potencial intrínseca da junção PN ( 0,6V) e, em seguida,
superar a própria tensão que polariza o “cátodo” (5 Volts no
exemplo). Nesse caso, enquanto a tensão aplicada ao terminal do
emissor (E) não atingir 5,6 Volt (0,6V + 5V) não haverá passagem
de corrente pelo emissor através de Rb1 para a linha de negativo
da alimentação. Mantendo-se no exemplo, uma tensão de
emissor igual ou maior do que 5,6 Volts determinará a passagem
de uma corrente; já qualquer tensão inferior (a 5,6V) será incapaz
de originar passagem da corrente elétrica pelo emissor (E) e por
Rb1. Enquanto os 5,6V não forem atingidos, a corrente será nula,
como através de um interruptor aberto. Alcançando os 5,6V, tudo
se passa como se o tal interruptor estivesse fechado. A corrente
que circulará estará limitada unicamente pelo valor resistivo
intrínseco de Rb1.
Como a transição de corrente nula, para corrente total, entre
emissor (E) e base 1 (B1) se dá sempre de forma abrupta
(quando a tensão de emissor chega à tensão/limite de disparo),
podemos considerar o UJT como um simples interruptor acionado
por tensão.
Características técnicas
 
• Tensão entre bases (Vbb) – é a máxima tensão que pode ser
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
aplicada entre as bases.
• Tensão entre emissor e base 1 (Vb1e) – é a máxima tensão que
pode ser aplicada entre esses dois terminais.
• Resistência entre bases (Rbb) – é a resistência existente entre
os dois terminais de base.
• Corrente de pico de emissor (Ie) – é a corrente máxima que
pode circular entre o emissor e a base 1 quando o transistor é
disparado.
• Razão intrínseca de afastamento ()
 
Figura 7.6 O UJT – Características técnicas Fonte: Apostila SENAI
Eletrônica, 2007, p. 119.
 
 
 é a chamada razão intrínseca de afastamento, que nada mais é
do que o fator do divisor de tensão.A faixa típica de variação de  é de 0,5 a 0,8.
Por exemplo, o 2N2646 tem um  de 0,65. Se este UJT for usado
com uma tensão de Alimentação de 10 Volt
V1 é a chamada tensão intrínseca de afastamento porque ela
mantém o diodo emissor com polarização inversa para todas as
tensões aplicadas ao Emissor, inferiores a V1.
Se V1 for igual a 6,5 Volt, então temos de aplicar um pouco mais
Conteúdo gerado pelo EAD https://app.nmceduc.com.br
( 0,6V) do que os 6,5V para polarizar diretamente a junção PN e
haver condução entre Emissor e a Base 1.