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CAPITULO 1 - TIRISTORES

So todos os dispositivos de 4 camadas tais como o diodo unilateral de 4 camadas, o SCR, o TRIAC, DIAC,PUT e outros. Neste captulo, apesar de no ser considerado da mesma famlia estudaremos o UJT que usado principalmente para disparar um tiristor. 1. TRANSISTOR UNIJUNO (UJT) um dispositivo semicondutor com trs terminais e uma juno, Fig1.1.

Smbolo

Fig1.1: Transistor unijuno O emissor de material tipo P. Entre os terminais B2 e B1 o dispositivo apresenta uma resistncia hmica chamada resistncia interbases ( RBB) cujo valor est compreendido entre 5K e 10K. Entre B2 e a juno existe uma resistncia Rb2 e entre a juno e B1 uma resistncia Rb1. A soma dessas duas resistncias igual a RBB = Rb1 + Rb2. O circuito equivalente e a polarizao do UJT esto indicados na Fig1.2.Rb2+

IEVBBVE

D

0,7V+

VE

+

VRb1

Rb1

VBB

(a)

(b)

Fig1.2Polarizao e circuito equivalente do UJT

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Na Fig1.b enquanto VE < 0,7 + VRb1 o UJT estar cortado, pois o diodo est reversamente polarizado. Rb1.VBB Rb1 VRb1 = = .VBB onde = outro parmetro do UJT Rb1 + Rb 2 Rb1 + Rb 2 chamado de razo intrnseca de disparo. Tipicamente o valor de (eta) est compreendido entre 0,5 e 0,8. Quando VE = 0,7 + . VBB = VP = tenso no ponto de pico, o diodo fica polarizado diretamente e o UJT dispara. O termo disparo usado por analogia ao disparo de uma arma, significando uma mudana brusca de condio. A explicao fsica para o disparo dada pela realimentao positiva interna. Aps Ter disparado o UJT s voltar a cortar novamente quando a tenso de emissor cair abaixo de um valor crtico chamado tenso de vale, VV. Abaixo da tenso de vale a juno volta a ficar polarizada reversamente novamente. A Fig1. mostra a curva caracterstica de um UJT, indicando os principais pontos. VE VP

VV IV Fig1: Curva caracterstica de entrada Uma das principais aplicaes do UJT como oscilador de relaxao. Na Fig1.4 quando a alimentao ligada a primeira vez, o capacitor se encontra descarregado, logo VC = VE = 0, portanto o UJT estar cortado ( IE = 0). Nessas condies o capacitor comea a se carregar atravs de R, tendendo a tenso nele para +VCC com constante de tempo = R.C. Quando VC = VP = o UJT dispara, fazendo o capacitor se descarregar atravs do UJT e da resistncia RB1. Quando VC cair abaixo de VV o UJT corta e C volta a se carregar , e ciclo se repete. IE

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3

+Vcc

R

RB2

C RB1

Fig1.4: Oscilador de relaxao Circuito e formas de onda

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O perodo das oscilaes calculado por :

T = R.C. ln

1 1

1.1. - GERADOR DENTE DE SERRA Da teoria de circuito sabemos que se um capacitor se carrega atravs de uma corrente constante I, a tenso em C varia linearmente com o tempo de acordo com a expresso I .t. C Quanto maior o valor da corrente (fixado C), mais rapidamente se carregar o capacitor. Por outro lado se aumentarmos o valor de C levar mais tempo para carregar C. A inclinao da reta na Fig1.5b depende da relao entre a corrente que carrega o capacitor e o valor do mesmo. VC =

VCI C Vc

(a) VC = I .t C

(b)

t

Fig1.5: Carga de capacitor por corrente constante O circuito basicamente o mesmo da Fig1.4a, a diferena que a corrente que carrega o capacitor nesse caso constante, sendo igual corrente de coletor (IC).

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5

+Vcc

+Vcc

R1

R I

R2

C RB1

C

RB1

Fig1.6: Gerador dente de serra No circuito da Fig1.6.a, o transistor, R1,R2 e R simulam uma fonte de corrente constante, desta forma a carga de C linear. Quando VC atingir Vp, o UJT dispara e C se descarrega bruscamente. A Fig1.7 a forma de onda correspondente

VC

T

VP

VV

Fig1.7: Dente de serra

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O periodo das oscilaes dado por :

T=

(VP VV ).C I

onde I =

(U1 0,7) R .V e U1 = 1 CC R R1 + R2

EXERCICIOS PROPOSTOS 1. Para o circuito pede-se : a) Desenhar os grficos de VC(t) e VRB1(t) oscilao b) frequncia de

+12V

15K

0,47uF = 0,67 VV = 3V

33

2. Com relao ao circuito pede-se : Valor da razo intrinseca de disparo b) Valor de R c) Frequencia de oscilao

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3. Dado o circuito e a forma de onda no capacitor, pede-se: a) Razo intrinseca de disparo b) Valor de R que faz o circuito oscilar em 15KHz. VC+12V

9,1v

R

0,1uF

3v33+15V

4. Para o circuito calcular o periodo, a frequncia de oscilao e desenhar o grfico de VC(t).

3K

1K

12K

10nF 47

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2 DIODO DE QUATRO CAMADAS UNILATERAL um diodo construido com quatro camadas PN alternadas

A(Anodo) A(Anodo) P N IA P N K(Catodo) K(Catodo) IA UBK IH

IA

U UH UBO

Fig1.8: Diodo de quatro camadas unilateral Com polarizao reversa o diodo se comporta como um diodo comum, apresentando altssima resistncia. Se a tenso reversa exceder a tenso de breakdown (UBK) o diodo ser destruido. Com polarizao direta o diodo apresenta alta resistncia enquanto a tenso for menor do que um valor chamado de tenso de breakover (UBO). Acima destre valor o dispositivo dispara passando a conduzir, somente voltando a cortar quando a tenso ( corrente ) e de anodo cair abaixo de um valor chamado de tenso de manuteno , UH (corrente de manuteno, IH ). Qualquer mecanismo que provoque um aumento das correntes internas pode levar ao disparo ( aumento de temperatura, luz, injeo de corrente).

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3 RETIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR) 3.1 - INTRODUO Um SCR basicamente um diodo de 4 camadas unilateral no qual foi colocado um terceiro eletrodo chamado de gate ( G ) usado para controlar o disparo do diodo. A(Anodo) P N P N G(Gate) IA

A G KUBK IH UH UA

K(Catodo) Fig1.9: Retificador controlado de Si. O SCR tem tres regies de operao, consideradas a seguir, com IG = 0 : Bloqueio reverso : O anodo negativo em relao ao catodo, nessas condies o SCr se comporta exatamente como um diodo comum. Se a tenso reversa aumentar alm da da tenso de breakdown(UBK) ), o SCR ser destruido pelo efeito avalanche.

R IA=0 IG=0Fig1.10: SCR Bloqueio reverso Bloqueio Direto: O anodo positivo em relao ao catodo, mas a tenso no suficiente para disparar o SCR. Para disparar o SCR com o gate aberto (IG = 0 ) necessrio que a tenso de anodo atinja um valor chamado de tenso de breakover( UBO ). Se UA for menor do que UBO o SCR continuar cortado.

E

+

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R IA=0+

IG=0

EUBO

Fig1.12:SCR Conduo Aps disparar, o SCR passa da condio de alta resistncia para baixa resistncia. A tenso de anodo cai para um valor baixo ( 0,5V a 1,5V ). O SCR s volta a cortar quando a tenso( corrente) cair abaixo de um valor chamado de tenso ( corrente) de manuteno, UH ( IH ) cujo valor depende do tipo de SCR( Por exemplo o TIC106 tem IH 0,5mA enquanto o TIC116 tem IH 15mA. Se for injetado uma corrente de gate, ser possivel disparar o SCR com tenses de anodo bem menores do que UBO. Quanto maior a corrente de gate, menor a tenso de anodo que disparar o SCR. Aps o disparo o gate perde o controle o sobre o SCR, isto , aps o disparo o gate pode ser aberto ou curto circuitado ao catodo que o SCR continua conduzindo. O SCR s volta ao corte quando a corrente de anodo cair abaixo da corrente de manuteno. A tenso mxima que pode ser aplicada entre anodo e catodo no sentido direto com IG = 0 como vimos chamada de UBO, mas muitas vezes designada de VDRM esta informao muitas vezes vem codificada no corpo do SCR, por exempo :

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TIC 106 Y - 30V TIC 106 F - 50V TIC 106 A - 100V TIC 106 B - 200V TIC 106 C - 300V TIC 106 D 400V

MCR 106-1 - 30V MCR 106-2 - 60V MCR 106-3 - 100V MCR 106 4 200V MCR 106 5 - 300V MCR 106 6 - 400V

Outra informao importante a mxima tenso reversa que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown, designada por VRRM, tipicamente da mesma ordem de VDRM. Os valores de corrente tambm devem ser conhecidos , IT, a mxima corrente que o SCR pode manipular e pode ser especificada em termos de valor continuo ou eficaz(RMS) e depende da temperatura e do ngulo de conduo (F). Por exempo, o TIC 106 pode conduzir uma corrente continua de at 5A. A corrente de gate necessria para disparar o SCR designada IGT e pode ser da ordem de A no caso do TIC 106. 3.2 - CIRCUITOS COM SCR EM CC. Em CC deve ser previsto circuito de reset aps o SCR disoparar. 1) ALARME1 As chaves CH1,CH2 e CH3 pode ser rels Reed switch que ao serem acionadas abrem disparando o SCR que liga o rel, que aciona um alarme. Para desativar o alarme a chave de reset deve ser acionada.+12V

2K2

Rel Reset

CH1

CH2 CH3

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2) ALARME2 +12V 33K 100K Rel Reset LDR

Funcionamento: Enquanto o LDR estiver iluminado, como as sua resistncia baixa, a tenso no LDR ser baixa e o SCR estar cortado. Se o feixe de luz for cortado , aumenta a resistncia do LDR e em conseqncia a tenso de gate disparando O SCR e acionando o alarme

3) BIESTAVEL +Vcc

CH1 RL1 R1 SCR1 R2 C RL2

CH2

R1 SCR2 R2

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Funcionamento: Inicialmente com as duas chaves abertas, os dois SCR's esto cortados. Se CH1 for pressionada, dispara SCR1 conectando RL1 e C se carrega por RL2 e SCR1 de forma que o seu terminal esquerdo fica negativo e o terminal direito positivo. Se a chave CH2 for pressionada, dispara o SCR2 e fazendo a tenso em C ser aplicada no SCR1 carrega com polaridade contraria, e reversamente cortando-o. desligando a carga RL1 e ligando RL2.Agora C se portanto se CH1 for pressionada a carga RL1 ser ligada e a carga RL2 desligada.

3.3 - SCR EM CORRENTE ALTERNADA 3.3.1 DISPARO POR CC COM CARGA CA Como foi visto anteriormente, quando o disparo em CC com carga CC , necessrio circuito de reset para cortar o SCR, ao mesmo tempo no necessrio manter corrente no gate. Quando o disparo por corrente contnua (CC) mas a carga CA, para manter o SCR conduzindo necessrio manter sinal no gate , pois se o sinal de gate for retirado, o SCR cortar quando a tenso de anodo passar por zero. A Fig1.13a mostra um circuito com disparo CC e carga CA e a Fig1.13b a forma de onda na carga quando a chave CH fechada num instante t1 e aberta em t2.

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(a)CH ( t1 ) ( t2 )

(b) (a) Fig1.13: Disparo por CC com carga CA ( a ) e formas de onda ( b ).

No circuito da Fig1.13 observar que , ao fechar a chave o SCR s disparar se a tenso de anodo for positiva. A partir desse instante toda a tenso da rede cair sobre a carga e a tenso no SCR ser de aproximadamente 1V. Se a carga for resistiva podem ocorrer picos de corrente excessivamente altos os quais podem destruir o SCR e/ou a carga. Para evitar isso que existem circuitos que s disparam o SCR quando a tenso da rede for prxima de zero, chamados de ZVS ( Zero Voltage Switch ).

3.3.2 DISPARO POR CA COM CARGA CA No disparo por CA a alimentao de anodo e de gate obtida da mesma fonte senoidal. O controle de disparo feito controlando-se o instante ( ou o angulo de disparo ) em que o SCR gatilhado no semi-ciclo positivo. Para melhor compreenso vamos supor que o SCR da Fig1.14 entra em conduo no instante que a tenso de entrada estiver passando por um angulo de fase F, chamado de ngulo de disparo. A conduo comea nesse ponto e termina quando a tenso de anodo cair abaixo da tenso de manuteno, UH, que consideraremos desprezvel face tenso de pico da rede, VM.A Fig1.15 mostra as principais formas de onda referentes Fig1.14.

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VL

VSCR Circuito de Disparo

Fig1.14: SCR Disparo por CA

VRMS VDC

Fig1.15: SCR Disparo por CA formas de onda

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Atravs do clculo diferencial e integral pode-se demonstrar que a tenso mdia ( contnua ) na carga calculada por : VM .(1 + cos F ) = tenso mdia ( contnua ) na carga 2. Obs: A tenso mdia a tenso que ser medida por um voltmetro CC. VDC = e a forma de onda corresponde forma de onda de um retificador meia onda com diodo comum. Se F = 180 resulta VDC = 0, isto , no existe tenso na carga. Por clculo integral tambm se obtm a expresso que d a tem eficaz ( VEF ou VRMS) na carga: VM 1 sen 2. F . .( F + ) = tenso eficaz na carga 2 2 V Por exemplo se F = 0 VRMS = M que igual ao mesmo valor da tenso do retificador de 2 meia onda. VRMS = 0 Se F = 180 VRMS = Obs: A tenso eficaz est relacionada potncia dissipada na carga EXERCICIO RESOLVIDO Considere que no circuito da Fig14 0 angulo de disparo 60 e que RL = 100. Calcular : a) Tenso e corrente contnua na carga b) Potncia dissipada na carga. Dados : ve = 110. 2 .senwt(V) Soluo: a) F = 60, cos60 = 0,5 VM =110. 2 (V) VM .(1 + cos F ) = 2. 110. 2 .(1 + cos 60) = 37V 2. Por exemplo se F = 0 resulta VDC = VM

VDC =

=

logo

IDC = 37V/100 =0,37A

b) VRMS =

VM 110. 2 1 sen 2. F 1 sen 2.60 . .( F + ) = .( + ) =75V . 2 2 2 3 2

2 VRMS 752 PD = = = 56,25W RL 100