Electronica de Potencia4[1] : Tiristor por Tualibodine Mutirua

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Introdução 
O presente trabalho apresenta de forma clara e resumida conceitos e caracteristicas dos tiristores. 
Objectivos Gerais
Apresentar de maneira clara e resumida o conceito de tiristores.
Apresentar os tipos de tiristores e seus respectivos símbolos.
Objectivos Específicos
Definir e caracterizar os tiristoresSCR’s e TRIAC’s;
Apresentar seus respectivos objectivos.
Tiritores 
São os componentes básicos da Electrónica de Potencia, que são usados como chaves de grandes cargas, como motores, conversores de CA em CC e vice-versa e gerando pulsos decontrolo para outros tirístores.
Os tirístores podem ser classificados quanto ao número determinaise quanto ao sentido de condução de corrente eléctrica. Desse modo, um tirístor de dois terminais e que permita a passagem de corrente em ambos os sentidos será chamado de díodotirístorbidireccionale um tirístor com quatro terminais e que permite passagem de corrente em apenas um sentido é chamada de tétrodo tirístor unidireccional ou de tétrodo tirístor de bloqueio reverso.
Princípio de funcionamento 
A estrutura semicondutora comum (com variações) dos tiristores é PNPN, apresentando 3 junções do tipo pn como ilustra a figura 1. Para melhor compreensão do funcionamento de um tiristor, adoptou-se a trava ideal como objecto de estudo (explicação).
Fig.1 Trava ideal.
No circuito da figura 2, a base do transístor NPN é alimentada pelo colector do PNP, e
vice-versa. Não há inicialmente corrente de colector alimentando o outro transístor, e ambos estão na região de corte. Porem se for aplicado um pulso positivo na base NPN ou negativo na PNP, o transístor será activado fornecendo uma corrente amplificada na base do outro, que amplificara esta corrente fornecendo uma corrente ainda maior a base do transístor que recebeu o pulso. Este processo acelera a chegada dos transístores à saturação, fornecendo corrente somente limitada somente pela carga.
Uma vez disparada, a trava só se desliga quando a corrente for limitada a um valor mínimo, designada corrente de manutenção, que por sua vez não permite manter os transístores na saturação. Este processo pode ser obtido desligando o circuito oi curto circuitando os emissores. A trava também pode ser disparada por avalanche, aplicando-se uma sobretensão
entre os emissores, que inicia a ruptura em um dos transístores, alimentando a base do
outro, o que leva à saturação como no caso do pulso, anterior.
Fig.2
Tipos de tiristores
Os tiristores apresentam-se em 9 diferentes configurações, nomeadamente 
Tiristores de controlo de fase (Rectificador Controlado por Silício) – SCR’S;
Tiristores tríodos bidireccionais ( BidimentionalTriode ) –TRIACs;
Tiristores de desligamento por gatilho ( Gate Turn-OFF) – GTOs;
Tiristores de condução reversa ( Reverse Conduntig) – RTCs;
Tiristores de indução estática ( StathicInducion) – SITHCs;
Tiristores controlados por FET ( FET-controlled ) - FET-CTHs;
Tiristores controlados por MOS ( MOS-controlled) – MCTs;
Rectificadores controlados por silício ativados por luz ( ligth-actived-silcon-controlledrectifiers ) – LASCRs.
Para o presente trabalho apresentar-se-á somente os circuitos respectivos para as ultimas seis configurações, dando mais enfoque as primeiras duas. 
SCR – Rectificador Controlado por Silício 
É considerado o tipo de tirístor mais comummente usado. Devido ao seu amplo campo de aplicação é comum utilizar-se o termo SCR para designar qualquer tipo de tirístor o que pode-se notar que é um equívoco. 
 O SCR é na verdade um tríodotirístor de bloqueio reverso, ou seja, possui três terminais e permite a passagem de corrente eléctrica num único sentido. Seus terminais principais chamam-se, da mesma forma como num díodo semicondutor, ânodo(A) e cátodo(K). O terceiro terminal, que serve como eléctrodo de controlo, é chamado de porta ou gate (G).
Baseando-se na segunda denominação, se o potencial do ânodo for positivo em relação ao do cátodo o SCR poderá estarconduzindo(ON - com resistência praticamente nula) oucortado(OFF - com resistência interna praticamente infinita). Se o potencial de ânodo for negativo em relação ao de cátodo, o SCR necessariamente estará cortado. A passagem de um SCR para o estado de corte para o de condução é chamada de disparoe a passagem do estado de condução para o estado de corte é chamada de comutação. A figura abaixo mostra a estrutura interna, a simbologia, e a polarização de um SCR.
Fig.4 Estrutura de um SCR.
Se for colocado um terminal de gate na primeira camada N, ou dois terminais no gate um para disparo com tensões positivas e outro para disparo com tensões negativas passar-se-ia a ter um dispositivo denominado SCS – chave controlada por silício. 
Métodos de disparo do tirístor SCR 
Disparo por Sobretensão (ou disparo por VBO) 
Analisando a estrutura interna de um SCR, observamos três junções PN (J1, J2 e J3). Com a aplicação de uma tensão positiva entre ânodo e cátodo, as junções J1 e J3 ficam directamente polarizadas e aptas a permitir a passagem de corrente eléctrica. Todavia, a junção J2 se encontra reversamente polarizada e, consequentemente a corrente que flui pelo dispositivo é praticamente nula. Caso se aumente o valor da tensão VAK entre o ânodo e o cátodo, chega-se ao ponto em que se atinge a tensão de avalanche da junção J2, chamada de tensão de bloqueiodirecto(VBO, VDRM ou VBR).Quando isso ocorre, a corrente no SCR deixa de ser desprezível e o dispositivo passa para o estado de condução. Embora existam tirístores que disponham apenas desse método de disparo, na maioria dos casos o disparo por sobretensão é indesejável, e deve ser evitado escolhendo-se um SCR adequado para o nível de tensão utilizado no circuito de aplicação.
2) Aplicação de Tensão no Gate 
O método de disparo usual de um SCR é através da aplicação de uma tensão adequada entre gate e cátodo (gate positivo em relação ao cátodo, desde que, logicamente, o ânodo também seja positivo em relação ao cátodo). Para compreender como a aplicação de uma tensão no gate leva ao disparo de um SCR, iremos analisá-lo como sendo composto por dois transístores bipolares conectados entre si como na figura abaixo.
Fig.5Transistores bipolares conectados entre si.
Sem tensão aplicada ao gate, o “transístor” T2 estará cortado, já que a sua corrente de base é nula. Em consequência, sua corrente de colector também será nula. Como a corrente de colector do “transístor” T2 é a corrente de base do “transístor” T1, este também estará cortado. Fica assim explicada a razão de não circular corrente pelo dispositivo. Aplicando-se uma tensão positiva ao gate (através do fechamento da chave S2), passa a circular uma corrente de base no “transístor” T2, levando-o ao estado de condução. Logo, o
2 “transístor” T1 passa a ter corrente de base e também entra no estado de condução. A forma como os dois “transístores” estão conectados caracteriza uma realimentação positiva entre eles, que os leva quase que imediatamente à saturação. Assim, a queda de tensão sobre o dispositivo cai bruscamente (VAKon = VBEsat1 + VBEsat2) e a corrente principal IA do dispositivo (que circula do ânodo para o cátodo) é limitada apenas pelos componentes externos (resistência de carga RL e tensão de alimentação VT).
3) Disparo por Radiação Luminosa
 O princípio de funcionamento é similar ao do método por aplicação de tensão no gate, porem neste caso a corrente de disparo, ao invés de ser fornecida pela aplicação de uma tensão ao gate, origina-se a partir da interacção entre a superfície semicondutora do SCR e os fotos da luz incidente através de uma “janela” aberta no dispositivo, exactamente como ocorre num fotodiodo ou fototransistor. Esse tipo de SCR é conhecido como LASCR (LigthActivated Silicon ControlledRectifier- Retificador Controlado de
Silício Acionado pela Luz). Sua simbologia é representada abaixo.
4) Disparo por Variação de Tensão (ou disparo por dv / dt) 
Como sabemos, uma junção PN apresenta uma capacitância.A corrente que percorre uma capacitância qualquer pode ser calculada pela fórmula:
 (1)
onde: dv / dt é a taxa de variação da tensão aplicada sobre o transístor.
 Para compreender como ocorre o disparo por variação de tensão, consideremos o circuito abaixo.
Estando a chave S aberta, a tensão sobre a junção J2 é nula. Com o fechamento da chave, o valor dessa tensão passa rapidamente para VT (já que ela está reversamente polarizada). Se essa variação de tensão for suficientemente rápida, o produto da equação 1produzirá uma corrente capaz de dar início ao processo de condução.
 O terminal de gate pode ou não estar disponível para conexões externas. Exemplificando, se a tensão VT valer 1000 V, a capacitância de J2 valer 20 pF e a chave fechar em 1 ms, a corrente produzida com o fechamento da chave será de 20 µA, valor suficiente para o disparo do SCR.
5) Disparo por Temperatura 
A corrente que percorre uma junção PN reversamente polarizada, chamada de corrente de saturação reversa, dobra aproximadamente de valor a cada acréscimo de 10 ˚C na temperatura da junção. Dessa forma, caso essa temperatura sofra um aumento considerável, é possível que a corrente através da junção J2 atinja o valor necessário para dar início ao processo de condução do SCR.
Curva Característica de um SCR
A curva que relaciona a corrente principal IA num SCR com a tensão VAK aplicada entre o ânodo e o cátodo tem o aspecto mostrado no gráfico abaixo.
Fig.8 Curva Característica de um SCR.
TRIAC - Tríodo de Corrente Alternada
Supondo que seja necessário realizar o controlo de potência por fase de uma carga de corrente alternada. Para tanto, poderiam ser utilizados dois SCRs conectados entre si na ligação chamada de anti-paralelo, como mostrado na figura abaixo. Nessa ligação, cada semiciclo da tensão alternada de entrada será controlado por um dos SCRs.
Fig.9 SCRs conectados entre si.
Tal configuração seria dispendiosa, além de necessitar de um circuito de disparo mais complexo, para lidar adequadamente com os dois SCRs. A solução para esse problema consistiu na criação de um dispositivo que funciona de modo bastante semelhante a dois SCRs ligados em antiparalelo e encapsulados em conjunto. 
Tal dispositivo, cujo símbolo e estrutura interna estão representados abaixo, é conhecido como TRIAC (Triode AC - tríodo de corrente alternada). O TRIAC, como veremos a seguir, pode ser disparado qualquer que seja a polaridade da tensão entre os seus terminais principais e qualquer que seja a polaridade dos pulsos aplicados ao gate. O potencial do terminal principal número 1 serve como referência.
Fig.10 Ilustração do TRIAC
Modos de Disparo de um TRIAC
O disparo de um TRIAC pode ser feito basicamente pelos mesmos métodos já estudados para o SCR: por sobretensão, por temperatura e por aplicação de uma tensão de gate. Até o momento, não existe produção industrial de TRIACs foto-ativados. Com relação ao disparo por tensão no gate, existem quatro situações possíveis, que são classificadas de acordo com a polaridade do MT2 e do gate em relação ao MT1. Em cada uma dessas situações, algumas das regiões P e N da estrutura interna do dispositivo trabalharão em conjunto para estabelecer um “SCR efectivo”, que será o responsável pela condução da corrente.
 As possibilidades são:
1° Quadrante: Tanto os MT2 quanto o gate são positivos em relação ao MT1. Nesse caso, o “SCR efectivo” é formado pelas regiões P1, N1, P2 e N2, com a região P2 funcionando como gate. É o modo de disparo em que o TRIAC é mais sensível, isto é, em que existe menor possibilidade de ocorrer uma falha ao se tentar dispará-lo.
2° Quadrante: O MT2 é positivo e o gate é negativo em relação ao MT1. Nesse caso, teremos o mesmo “SCR efectivo” do 1° quadrante. A diferença é que o início da condução ocorre de modo indirecto, através da corrente que flui pela junção N3-P2. Por esse motivo, o TRIAC é menos sensível nesse modo de operação.
3° Quadrante: O MT2 e o gate são negativos em relação ao MT1. O “SCR efectivo” desta vez é formado pela região P2, N1, P1 e N4. O início da condução também ocorre indirectamente, através da corrente da junção N3-P2.
4° Quadrante: O MT2 é negativo e o gate é positivo em relação ao MT1. Possui o mesmo “SCR efectivo” do 3° quadrante, mas o processo de início de condução é mais complicado, começando a partir da junção P2-N2. É o modo de operação em que o TRIAC é menos sensível, sendo maior a probabilidade de ocorrer uma falha no disparo.
Curva Característica de um TRIAC 
Devido às particularidades da sua fabricação, o TRIAC tem uma curva característica simétrica e semelhante à característica directa de um SCR, como se pode ver na figura abaixo.
Fig.11 Curva Característica de um TRIAC.
Tipos de tiristores 
Tirístores de desligamento por gatilho (Gate Turn-OFF) – GTOs
Todos os tirístores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente de manutenção, o que exige circuitos especiais de desligamento em certos casos. O GTO permite o desligamento pelo gate, por pulso negativo de alta corrente, daí o nome (Gate Turn Off).
 Estruturalmente, é similar ao SCR, mas a dopagem e a geometria da camada do gate permite minimizar o sobreaquecimento durante o desligamento (o que destruiria um SCR). O desligamento é feito em geral através de descarga de um capacitor.
     
Fig.12. Símbolo, processos de chaveamento e estrutura interna de GTO.
Tirístores de condução reversa (Reverse Conduntig) – RTCs
	
Tiristores controlados por FET ( FET-controlled )
Tiristores controlados por MOS ( MOS-controlled) – MCTs
Rectificadores controlados por silício ativados por luz ( ligth-actived-silcon-controlledrectifiers ) – LASCRs.
Conclusão 
Findo o trabalho, conclui-se que os tiristores são dispositivos de grande aplicabilidade e complexibilidade. A sua ampla disponibilidade no mercado faz com que os mesmo sejam facilmente manuseiados e fabricados. Conclui-se tambem que o funcionamento deste esta directamente ligado ao funcionamento do diodo e todo transistor. 
Referencias blibliograficas