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SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL
Escola de Educação Profissional Senai “Plínio Gilberto Kröeff”
ELETRÔNICA INDUSTRIAL
Professor: Carlos Ricardo dos Santos Barbosa, Gustavo Grams Teixeira
Unidade Curricular: Manutenção Eletrônica Curso: Técnico em Eletrônica
São Leopoldo
2009
SUMÁRIO
1 ESTUDO DOS TIRISTORES ........................................................................ 03
1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES ....................................................... 03
2 SCR- RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO ...................................... 04
2.1 ESTRUTURA E SIMBOLOGIA DO SCR .................................................... 04
2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SCR ............................................ 05
2.3 AS CORRENTES IL E IH ........................................................................... 08
2.4 CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS ............................................................. 09
2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES ....................................................... 12
2.6 O EFEITO dI / dt ......................................................................................... 12
2.7 O EFEITO dV/ dt ........................................................................................ 14
2.7.1 Circuito Snubber ...................................................................................... 15
2.8 MÉTODOS DE DISPARO DE UM SCR ..................................................... 17
2.9 MÉTODOS DE BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR .......................... 17
2.9.1 Comutação natural .................................................................................. 18
2.9.2 Comutação Forçada ................................................................................ 18
2.10 INFLUÊNCIA DE COMPONENTES
PASSIVOS ENTRE GATE-CÁTODO .............................................................. 19
2.11 CARACTERÍSTICAS ANODO-CÁTODO DO SCR .................................. 20
2.12 EFEITOS DESTRUTIVOS ........................................................................ 23
2.13 TIRISTORES EM PARALELO E EM SÉRIE ............................................ 24
2.13.1 Tiristores em Paralelo ............................................................................ 24
2.13.1.1 Equilíbrio de Corrente Mediante Triagem ........................................... 25
2.13.1.2 Equilíbrio de Corrente Mediante Resistência ..................................... 25
2.13.1.3 Equilíbrio de Corrente Mediante Indutância ....................................... 26
2.13.2 Tiristores em Série ................................................................................ 28
2.13.2.1 Equilíbrio das Tensões em Regime .................................................... 28
2.13.2.2 Equilíbrio de Tensões no Transitório .................................................. 29
2.14 SOBRECARGA EM TIRISTORES ........................................................... 30
2.14.1 Corrente Inrush (Corrente de Pico) ....................................................... 30
2.14.2 Flashover (Disparo) ............................................................................... 31
3 TRIAC (TRIODE ALTERNATING CURRENT) ............................................. 32
3.1 ESTRUTURA INTERNA E SÍMBOLO DO TRIAC ...................................... 33
3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DO TRIAC USANDO SCR ............................. 34
3.3 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO ................................... 35
3.4 TIPOS DE TRIAC ....................................................................................... 36
3.5 POTÊNCIA ................................................................................................. 37
3.6 APLICAÇÕES ............................................................................................ 37
3.7 VANTAGENS DO TRIAC SOBRE O SCR ................................................. 38
3.8 DESVANTAGEM DO TRIAC SOBRE SCR ............................................... 38
4 DIAC (DIODE ALTERNATING CURRENT) .................................................. 39
4.1 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO ................................... 39
4.2 EQUIVALENTE A DIODO ZENER ............................................................. 40
4.3 APLICAÇÕES ............................................................................................ 41
5 ETAPAS DE ACOPLAMENTO ..................................................................... 43
5.1 TRANSFORMADOR DE PULSO ............................................................... 44
5.1.1 Características e Funcionamento ............................................................ 45
5.2 ACOPLADORES ÓPTICOS ...................................................................... 48
5.3 ACOPLAMENTO PARA ONDA QUADRADA ............................................. 49
6 TCA 785 ........................................................................................................ 51
6.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO TCA 785 ....................................... 51
6.2 DESCRIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO TCA 785 ..................................... 51
6.3 FORMAS DE ONDA NO TCA 785 ............................................................. 54
6.3.1 COMPARAÇÃO: SAÍDA Q X SAÍDA Q ................................................... 55
7 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO ...................................................................... 56
1 ESTUDO DOS TIRISTORES
Tiristores são dispositivos semicondutores (na realidade Chaves
Semicondutoras) constituídos por quatro ou mais camadas semicondutoras, como
por exemplo, P, N, P, N.
O Tiristor é um dispositivo “Biestável” que pode ser chaveado do estado de
corte para o de condução e vice-versa, sendo que a posição da chave em cada um
desses estados depende de realimentação regenerativa associada com a sua
estrutura.
1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES
- SCR (Silicon Controlled Rectifier): Retificador Controlado de Silício
- TRIAC (Triode Alternating Current): Triodo de Corrente Alternada
- GTO (Gate Turn-Off): Tiristor bloqueável pelo Gate
- SCS (Silicon Controlled Swiches): Chave Controlada de Silício
- LASCR (Light Ativated Silicon Controlled Rectifier): SCR ativado por Radiação
Luminosa.
Os Tiristores são ainda classificados quanto a sua capacidade de condução como:
- Unidirecionais, quando tem polaridade definida (ânodo e cátodo), caso do SCR.
- Bidirecionais, quando conduzem a corrente em ambas as direções, caso do Triac.
2 SCR- RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO
O diodo controlado de silício (Silicon Controlled Rectifier- SCR) é sem dúvida
o dispositivo de maior interesse, atualmente, da família de dispositivos PNPN. Ele
surgiu pela primeira vez em 1956,e foi desenvolvido por um grupo de engenheiros
do Bell Telephone Laboratory. Algumas das áreas de maior interrese de aplicações
do SCR incluem controles e relés, fontes de tensão regulada, chaves estáticas,
controle de motores, choppers, inversores, cicloconversores, carregadores de
baterias, circuitos de proteção, controles de aquecedores e controles de fase.
Nos últimos anos, tem sido projetados SCR´s para controlar potências de
ordem de 10 MW, com capacidades individuais da ordem de 2000 A com 1800 V. a
faixa de freqüência atinge até 50 KHZ, permitindo algumas aplicações em altas
freqüências tais como aquecimento por indução e purificação ultra- sônica.
2.1 ESTRUTURA E SIMBOLOGIA DO SCR
A estrutura do SCR consiste em quatro camadas de silício, sendo duas
camadas do tipo N e duas camadas do tipo P, montadas alternadamente dando
origem a três junções.
As duas regiões internas apresentam dopagem fraca, enquanto as duas
regiões mais externas (laterais) apresentam dopagem mais intensa. As duas regiões
5
externas são denominadas de Ânodo ( + ) e Cátodo ( - ). Nestes pólos são
inseridos terminais que servem para conduzir a corrente de carga através do Tiristor.
O acionamento do tiristor, por sua vez, é realizado através de um terminal
inserido em uma das regiões “internas” do componente, que apresenta dopagem
fraca. Este terminal é denominado Gate, Porta ou ainda Eletrodo de Controle.
2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SCR
Para se entender o funcionamento do SCR, recorre-se ao seu circuito
equivalente com polarização direta :
Analogia a Diodos
Através das figuras acima, podemos observar que, ao aplicarmos um
potencial positivo ao ânodo (+) e negativo ao cátodo (-) os diodos D1e D3 são
polarizados diretamente enquanto D2 está polarizado em sentido reverso.
Para tensões VF positivas, a corrente é igual ao fluxo de portadores minoritários de
D2 (impedância alta) até atingirmos a sua Tensão de Ruptura (VRRM – impedância
baixa).
Neste momento haverá condução plena e a tensão ânodo - cátodo cairá.
Para tensões VF negativas, o SCR é comandado pela característica dos
diodos D1 e D3 polarizados reversamente.
6
Não se obtém a condução do SCR fazendo-se a tensão VF igual a Tensão de
Ruptura de D2, pois isto pode danificar o componente. Normalmente, dependendo
da corrente que se fizer circular do Gate para o cátodo, o SCR passa a conduzir
para diferentes valores da tensão VF.
A aplicação de um potencial positivo entre Gate e cátodo polariza esta junção
no sentido de condução. Os elétrons do cristal tipo N do cátodo difundem-se através
desta junção. Sendo o cristal tipo P do Gate muito estreito, eles são atraídos pelo
potencial da junção seguinte, que repele as lacunas mas é favorável aos elétrons.
Com isto têm-se a condução de ânodo para cátodo, com elétrons vindo do cátodo (
K) e indo para o ânodo (A) e, através do efeito avalanche isto permanece,
independentemente do Gate, até que a tensão de ânodo se reduza.
Este fluxo de elétrons, associado à tensão entre ânodo e cátodo (VAK),
pode ter Energia para realizar a “ruptura” ou quebra de ligações covalentes, por
reação em cadeia. Isto justifica o fato de, para valores de VAK altos, o fluxo de
elétrons que circula no Gate poder ser pequeno.
Alternadamente, pode-se explicar o comportamento interno do SCR pelo
modelo idealizado equivalente com dois transistores, um NPN e outro PNP.
FIG. 06 - Detalhe da transformação da estrutura de um SCR para a analogia
com dois Transistores.
Ao aplicarmos ao ânodo um potencial positivo em relação ao cátodo teremos
as junções J1 e J3 diretamente polarizadas e J2 inversamente polarizada. Com isto
ambos os transistores estão na região de corte pois T1 não tem corrente de base (
7
IB1 = IC2 = 0, logo T2 em corte ) e T2 não tem corrente de base também ( IB2 = IC1 =
0, logo T1 em corte) .
Conforme o modelo de dois transistores, eles são acoplados
regenerativamente e cada um excita o outro até a saturação, a partir do momento
em que um pulso positivo inicial é aplicado ao terminal Gate em relação ao terminal
Catodo (base de T2 em relação ao emissor de T2). Uma vez disparado o sistema
este só entrará em corte se a corrente IA for interrompida e, para que seja
novamente acionado requer um outro pulso positivo no Gate.
Suponhamos que o SCR está no estado de corte, isto é, IA = 0 quando um
pulso positivo é aplicado a base do à base do transistor 2, este conduz, fazendo com
que IC2 aumente, ora como IB1 = IC2 , o transistor 1 será forçado para a condução ,
fazendo com que IC1 aumente, finalmente como IB2 = IC1, o transistor 2 conduzirá
fortemente, o ciclo se repetirá e rapidamente o SCR entrará em condução, sendo a
corrente IA limitada pela carga, mesmo que o pulso original aplicado à base do
transistor 2 seja retirado, o SCR continuará no estado de condução, enquanto for
mantida a corrente IA ( significa V e RL fixos ).
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2.3 AS CORRENTES IL E IH
Existem dois parâmetros associados à corrente de anodo do SCR que
merecem consideração. A primeira delas é IL (LATCHING CURRENT), denominada
CORRENTE DE ENGATAMENTO ou TRANCA. Como geralmente disparamos um
SCR com pulsos no gate necessitamos saber o tempo mínimo de duração destes
pulsos (tempo de turn-on). Só podemos zerar a corrente no gate quando a corrente
anódica for igual ou maior que IL (IA ≥ IL).
A segunda corrente é IH (HOLDING CURRENT), denomina-se CORRENTE
DE MANUTENÇÃO. Esta corrente é menor valor que deve fluir no anodo sem que o
SCR bloqueie. É bom colocar que IL é aproximadamente igual a 2 IH.
O tempo necessário para o pulso no gate é o tempo necessário para que a IA
seja, igual ou maior a IL, dependendo da carga controlada pelo SCR, bem como do
circuito de disparo.
10 20 30 40 50
2 IG MÍN
5 IGMÍN
Duração do pulso(µs)
Corrente de Latching em função da corrente de gate.
A corrente de engatamento depende da duração do sinal de comando e da
intensidade da corrente de gate, como visto no gráfico acima. Um circuito indutivo
limita a subida da corrente, nesse caso será necessário ter impulsos mais longos
que nos circuitos puramente resistivos.
9
2.4 CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS
Quando se aplica um pulso positivo de tensão no gate do tiristor e este esteja
polarizado diretamente, a tensão VAK não cai instantaneamente,existe um tempo de
atraso para caracterizar a troca de estado chamado TEMPO DE DISPARO (tgt) .
O tempo de disparo (tgt) compreende o começo da subida do sinal do gate
(10%) e o instante em que a tensão de Anodo vale 10% o seu valor inicial e, este
tempo pode ser dividido em dois outros tempos:
- td (DELAY TIME) – TEMPO DE ATRASO a subida de corrente, é o tempo calculado
entre o começo da subida do sinal de gate (10%) e o instante em que a tensão
Anódica Vale 90% da seu valor inicial.
-
- tr(RISE TIME) – TEMPO DE SUBIDA DA CORRENTE.
É a diferença entre o tempo de disparo e o tempo de atraso.
tr = tgt - td
Conclui-se que para garantir o disparo do tiristor o pulso de corrente no gate
deve ter duração mínima igual ou superior a tgt.
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Curva Dinâmica de disparo
Dados:
VG = TENSÃO DE GATE
t = TEMPO
VAK = TENSÃO ANODO-CATODO
td = DELAY TIME (TEMPO DE RETARDO)
tr = RISE TIME (TEMPO DE SUBIDA)
tgt = TEMPO DE DISPARO (GATE)
O tempo de atraso na subida (tr), diminui quando se aumenta:
- A amplitude e a subida da corrente de gate. (Fig. 1A);
- A tensão Anodo - Katodo ( Fig. 1 B);
- A temperatura.
O tempo de subida (tr) depende da amplitude e subida da corrente de anodo (
dIA / dt) (Fig. 1C), bem como a temperatura.
Esses são parâmetros que influem na velocidade de Propagação do plasma
sendo que praticamente não há influência de gate.
11
Fig. 1A Fig. 1B
2 4 6 8 10 12tGT
VAK (V)
30
50 A
500 A
Fig. 1.C(µs)
Os tiristores de uma série apresentam valores de tempo de disparo bastante
diferentes. Nas montagens que exigem precisão no instante de disparo, por
exemplo, tiristores colocados em série ou paralelo, os pulsos devem ter amplitude de
cinco vezes o valor mínimo, com o tempo de subida na ordem de 0,5 µs.
Normalmente tgt varia de 1 µs a 6 µs sendo que o pulso de disparo deve durar pelo
menos 10 µs, preferencialmente na faixa de 20 µs a 100 µs.
Após o disparo do tiristor o gatilho não terá mais nenhuma ação. O tiristor se
desativa ao final do ciclo de Alternância Positiva ou quando se aplica sobre ele uma
Tensão VAK menor que zero (0).
O tempo de corte (tQ) (TURN OFF TIME) é definido como tempo de corrido
entre o instante em que a corrente principal (Corrente Anodo-Catodo) cai a zero,
devido a comutação do circuito externo, e o instante onde o tiristor pode novamente
suportar uma determinada tensão de Anodo sem entrar em condução.
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2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES
- TIRISTORES RÁPIDOS: tq menor 10 µs – 800 VAK
- TIRISTORES NORMAIS: Tq até 100 µs – 30 VAK a 350 VAK.
Logo é o OFF TIME que limita em freqüência um TIRISTOR.
2.6 O EFEITO dI / dt
O efeito dI / dt pode ser descrito do seguinte modo: assim que o SCR é
disparado ele não entra em condução plena instantaneamente.
Inicialmente, a zona de condução se restringe a uma área próxima da porta, e
esta área vai se propagando, com velocidade finita. Assim, deverá ir existindo uma
área proporcional a medida em que a corrente vai aumentando com o tempo.
Entretanto, se a um SCR for imposta uma taxa de crescimento da sua
corrente Anódica (dIA / dt) maior que a especificada, haverá uma densidade de
corrente muito elevada, que provocará aquecimento localizado (HOT SPOT) na
pastilha de silício, danificando o SCR. Portanto a taxa de d IA / d t deve ser limitada
a um valor seguro para o SCR considerado.
Na prática, o crescimento da corrente anódica pode ser limitada com a adição
de um indutor em série com SCR (Anodo do SCR).
Esta técnica de limitação de d IA /d t é muito utilizada. Principalmente quando
o SCR trabalha em sistemas de Potência.
Deve-se também tomar cuidado com a redução de d I/d t, porque se esta taxa
baixar muito devido ao indutor adicional o disparo SCR ficará comprometido. Assim
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sendo, a corrente anódica levará mais tempo para alcançar o valor de latching
(corrente de engate), necessitando-se neste caso de um pulso de disparo com
duração maior.
Estas condições são válidas também para o TRIAC, porque o princípio de
funcionamento deste dispositivo é baseado no mesmo princípio de funcionamento
do SCR, podendo, entretanto, ser disparado nos dois sentidos.
Exemplo de cálculo do indutor:
Segundo Faraday: є = e Φ = LI
Onde:
Φ é o fluxo magnético no indutor e equivalente ao valor da indutância vezes a
intensidade de corrente.
Logo:
Є = - L ou L =
Exemplo prático:
x 127
Considerando o circuito acima, supondo dI/dt máx = 100A/µs.
L = -є L = - (- x ) =
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2.7 O EFEITO d V/ dt
Sabe-se que o funcionamento de um SCR pode ser compreendido mais
facilmente utilizando-se o modelo, onde faz uma analogia desse dispositivo com dois
transistores bipolares um “NPN” e “PNP”.
As figuras 1A e 1B mostram a constituição básica de um SCR e a interligação
dos dois transistores do referido modelo equivalente para efeito análise.
FIGURA.1.A
Constituição fisica básica do SCR
Quando o SCR é polarizado diretamente a junção (J2) (Junção “PN” do
centro) inicialmente polarizada em sentido inverso apresenta uma capacitância,
representada por “C” na Figura Com a aplicação “BRUSCA” da tensão (degrau de
tensão, por exemplo, entre Anodo e Catodo, flui pela Capacitância “C” uma corrente
dada:
I = C.
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Se esta corrente for suficiente para estabelecer a condição de disparo, o SCR
conduz mesmo que a corrente de porta seja nula. Assim, pode-se concluir que
variações muito rápidas de tensão entre anodo e catodo poderão disparar o SCR
aleatóriamente.
Colocando-se um resistor em paralelo entre a porta e o catodo a sensibilidade
e este efeito pode ser enormemente diminuído porque o resistor adicional oferece
um caminho para passagem, de corrente capacitiva. Outra maneira de contornar o
problema “é amortecer” a subida de tensão, ou seja, limitar d v/ d t.
Este amortecimento pode ser conseguido utilizando-se um circuito RC,
conhecido por circuito SNUBBER, no que concerne ao amortecimento da tensão
aplicada (ligado em paralelo com Anodo e Catodo).
2.7.1 Circuito Snubber
Amortecimento de Tensão (Limitação de d v / d t).
Ação de circuito SNUBBER ao amortecimento da tensão aplicada.
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O circuito SNUBBER, além de limitar d v/ d t facilita também o disparo do SCR
sob cargas indutivas, aparece quando o pulso de disparo termina antes que a
corrente através da carga tenha atingido o valor de LATCHING.
O SNUBBER reduz este risco, porque este fornece um pulso de corrente
(descarga de C) que se soma à corrente de carga, aumentando as chances de se
alcançar o valor de LATCHING.
A Figura mostra a contribuição do SNUBBER na formação de Corrente
Anódica total, nesta Figura aparecem duas correntes notáveis.
São elas:
A – CORRENTE DE LATCHING
B – CORRENTE DE HOLDING
Efeito do SNUBBER na formação da CORRENTE ANÓDICA.
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2.8 MÉTODOS DE DISPARO DE UM SCR
Um SCR é disparado (entra em condução) quando aumenta a corrente de anodo IA,
através de uma das seguintes maneiras:
Corrente de Gatilho IGK: é o procedimento normal de disparo do SCR.
Sobretemperatura: O aumento brusco da temperatura aumenta o número de
pares elétrons-lacunas no semicondutor provocando maior corrente de fuga, o que
pode levar o SCR ao estado de condução. O disparo por aumento de temperatura
deve ser evitado.
Sobretensão: Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da
tensão de ruptura direta máxima VDRM (VBO), fluirá uma corrente de fuga suficiente
para levar o SCR ao estado de condução.
Degrau de Tensão dv/dt (∆V/∆t): Se a taxa de crescimento da tensão ânodo-
cátodo VAK no tempo for alta (subida muito rápida da tensão VAK) pode levar o
SCR ao estado de condução.
Luz ou Radiação: Se for permitida a penetração de energia luminosa (luz) ou
radiante (fótons, raios gama,nêutrons, prótons, elétrons ou raios X) nas junções do
semicondutor, haverá maior combinação de pares elétrons-lacunas, provocando
maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução. É o caso
do SCR ativado por luz, chamado foto-SCR ou LASCR (Light-Activated Silicon
Controlled Rectifier).
2.9 MÉTODOS DE BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR
O desligamento de um SCR é chamado de Bloqueio ou Comutação. O SCR é
uma chave de retenção, ou seja, uma vez disparado e conduzindo, o gatilho perde o
controle. A única forma de bloquear um SCR é reduzir a corrente de ânodo IA para
um valor menor que o valor da corrente de manutenção IH durante um certo tempo.
Este é o tempo necessário para o desligamento do SCR, toff.
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Devemos portanto lembrar:
Diodos e SCR’s somente bloqueiam quando praticamente é extinta a corrente
entre ânodo-cátodo e não por aplicação de tensão reversa.
Para um SCR comutar, ou seja, passar do estado de condução para o estado
de não condução, também chamado de bloqueio, a Corrente de Ânodo IA deve ser
reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de manutenção IH, durante um certo
tempo.
O tempo de desligamento é da ordem de 50 a 100µs para os SCR normais e
de 5 a 10µs para os SCR rápidos.
2.9.1 Comutação natural
A Comutação Natural acontece quando a Corrente de Ânodo IA for reduzida a
um valor abaixo da Corrente de Manutenção IH.
2.9.2 Comutação Forçada:
Em circuitos de corrente contínua a tensão permanece positiva no ânodo.
Como a corrente não diminui naturalmente, deve-se provocar a redução da Corrente
de Ânodo através da Comutação Forçada. Há duas formas para isso:
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• Desviando-se a corrente por um caminho de menor impedância provocando
IA < IH;
• Aplicando-se tensão reversa e forçando-se a operação na região de
polarização reversa. Note que isso também fará IA < IH.
2.10 INFLUÊNCIA DE COMPONENTES PASSIVOS ENTRE GATE-CÁTODO
Elementos passivos podem influenciar na característica de disparo de
tiristores quando colocados entre o gate e o cátodo do mesmo.
a) Efeitos de uma resistência entre gate e cátodo.
• Reduz a sensibilidade do gate. Os tiristores de baixa potência e grande
sensibilidade são disparados com correntes baixas. Coloca-se uma resistência entre
gate e cátodo para evitar disparos intempestivos devido a pequenas correntes de
fuga originadas pelo aquecimento do dispositivo e dv/dt.
• Aumenta as correntes de holding (IH) e de latching (IL), pois há um desvio de
corrente para o circuito de gate.
• Aumenta o limite de dI/dt, pois a corrente originada por esse efeito pode ser
desviada para o circuito de gate.
• Aumenta a tensão de breakover.
• Reduz o tq do tiristor. Após conduzir, o tiristor precisa permanecer durante um
intervalo de tempo tq com tensão negativa para garantir a efetivação do seu bloqueio
antes de receber tensão positiva.
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b) Efeito de um capacitor entre gate e cátodo:
• Aumenta o limite de dv/dt, produzindo o mesmo efeito da resistência.
• Reduz a sensibilidade do gate aos ruídos de alta freqüência.
Inconveniente:
Durante a condução do tiristor, o gate se comporta como uma fonte que
carrega o capacitor. No estado bloqueado, a descarga do capacitor pode provocar
disparos parasitas.
c) Efeitos de uma indutância entre gate e cátodo:
• Aumenta o limite dv/dt.
• Reduz a sensibilidade do gate aos ruídos de baixa freqüência.
• Aumenta as corrente de holding e de latching.
• Reduz o tq do tiristor.
Inconveniente: a corrente negativa que aparece no circuito de gate, pode
provocar o bloqueio do tiristor quando a corrente de ânodo for pequena.
2.11 CARACTERÍSTICAS ANODO-CÁTODO DO SCR
As características tensão x corrente de um SCR, para o caso de não haver
qualquer sinal aplicado ao gatilho, é mostrado na figura abaixo:
21
IA = corrente de ânodo
VAK = tensão de ânodo-cátodo
VRRM = máxima tensão reversa (repetitiva)
IH = corrente de manutenção
VDRM = máxima tensão de bloqueio (repetitiva)
V(BO) = tensão de disparo
IDRM = corrente de bloqueio no sentido direto
IRRM = corrente de bloqueio no sentido reverso
Quando o SCR é polarizado inversamente, sua característica é semelhante a
de um diodo comum polarizado inversamente. Na polarização inversa, o SCR
apresenta uma impedância muito alta, e só uma pequena corrente reversa, IRRM, flui
através dele. Esta corrente permanece pequena até que a tensão aplicada atinja a
tensão inversa de “Breakdown”, VRRM. Quando esta é atingida, rompe-se o potencial
da junção intermediária, e a corrente aumenta bruscamente, do cátodo para o ânodo
(é o principio utilizado no diodo Zener, porem, no Zener é reversível enquanto que
no SCR podemos danificar o dispositivo).
Quando polarizado diretamente, o SCR é eletricamente biestável, isto é,
possui dois estados estáveis, podendo apresentar impedância elevada ou
L
D
22
impedância muito baixa. Na situação de impedância elevada (desligado, corte ou
bloqueio) na polarização direta, uma pequena corrente direta do bloqueio (IDRM)
circula pelas junções PNPN, a qual é praticamente do mesmo valor que a corrente
reversa de bloqueio (I RRM). Conforme se aumenta o valor de tensão, com um
determinado valor, a corrente aumenta rapidamente e o SCR se comuta para o
estado ligado. Essa tensão em que a corrente passa a aumentar rapidamente é
chamada de tensão direta de “Breakover” ou tensão de disparo (V(BO)).
Quando a tensão direta excede o valor de “Breakover”, a diferença de
potencial sobre o SCR decresce abruptamente para um valor muito pequeno, sendo
limitada a corrente pelo circulo externo (carga) e permanece assim na condição de
ligado até que IA≤IH, quando a corrente de manutenção então retornará para a
condição de desligado.
A tensão de “Breakover” pode ser controlada pela injeção de um pequeno
sinal no gate. Quando a corrente de gate ( I GT) for zero, a tensão de “Breakover” é
alta e, conforme a corrente de gate aumenta, a tensão de disparo diminui até que o
dispositivo conduza.
Curvas características de VBO em função de IG
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A justificativa reside no fato de que uma quantidade maior de portadores na
região de gatilho permite que o fenômeno de avalanche que dá início ao processo
regenerativo que mantém o SCR em condução, ocorra em um valor da tensão VAK.
Quando a corrente de gate é muito alta, pode ocorrer a descarga
(“Breakover”) em uma tensão tão baixa que a característica do SCR se assemelha a
um simples diodo P-N.
Uma vez disparado, o gate não terá mais controle sobre a corrente de ânodo.
O único processo para levar o dispositivo novamente no estado de bloqueio, será
reduzido sua corrente de ânodo a um valor menor que IH.
2.12 EFEITOS DESTRUTIVOS
Os efeitos destrutivos são os motivos pelos quais pode-se danificar um tiristor.
Efeito dI/dt: com um fraco sinal de gate, o efeito dI/dt pode causar aquecimento
localizado na junção gate-cátodo pois com pequeno número de portadores
majoritários, o canal de condução inicial também é pequeno.
Sobretensão: é causada pelo excesso de tensão entre ânodo-cátodo, tanto
direta quando reversa.
Degradação térmica: esta ocorre quando existe elevada corrente de fuga que
aumenta exponencialmente com a temperatura.
Corrente de surto: nem toda área de cátodo possui um contato com a base
metálica ( dissipador), para certos tiristores. Assim o calor gerado devido à corrente
de surto (dI/dt) não será transmitido pela área sem contato com a base metálica.
Dependendo do calor, esta área será danificada.
Potência excessiva no gate: elevando-se demais o sinal de disparo, este
poderá curto-circuitar a junção gate-cátodo.
Polarização negativa no gate: aplicando-se um pulso de tensão negativa no
gate, este drena corrente do ânodo (quando em polarização direta) ou do cátodo
(quando em polarização reversa), destruindo a região de carga especial central de
SCR.
24
2.13 TIRISTORES EM PARALELO E EM SÉRIE
Para se obter correntes elevada (acima de mil ampéres), tiristores ou diodos
são ligados em paralelo. O número de tiristores em paralelo não é determinado
somente pela condição de carga em regimento contínuo, mas também pelas
condições de falha ou sobrecarga do circuito.
2.13.1 Tiristores em Paralelo
Quando tiristores são ligados em paralelo, deve-se certificar que as correntes
que os atravessam são, tanto quanto possível, iguais. Se dois tiristores estão em
paralelo entre os pontos A e B, a tensão VAB é evidentemente a mesma para os
elementos, mas as correntes dependem da impedância dos circuitos e, sobretudo,
das características estáticas dos mesmos.
Tiristores em paralelo
O problema da associação em paralelo de tiristores é devido basicamente à
repartição de corrente nos estados de condução, bloqueio e disparo. Entre os
métodos utilizados para balancear a corrente nos tiristores destacam-se três que
serão descritos a seguir:
25
2.13.1.1 Equilíbrio de Corrente Mediante Triagem
É impossível igualar os semicondutores para todas as correntes e
temperaturas a junção. Dessa forma, são escolhidos elementos com mesma queda
de tensão para a corrente nominal e para a temperatura da junção correspondente a
essa corrente. Esse procedimento não evita as dificuldades de manutenção como
por exemplo, a substituição de um elemento. Além do que, mediante uma
sobrecarga acidental, a repartição de corrente certamente não será uniforme.
Para os tiristores em particular, a dispersão dos tempos de disparo deve ser
conduzida através de triagem sobre esse parâmetro e de maximização de corrente
de gate. Convém lembrar que os sinal de gate devem permanecer até que todas as
unidades entrem em condução.
2.13.1.2 Equilíbrio de Corrente Mediante Resistência
Pode-se inserir uma resistência de baixo valor em série com o semicondutor
de maneira a equilibrar as correntes, pois a queda de tensão Ri predomina sobre as
diferenças de características. Esse procedimento poderia dispensar a triagem
precedente, mas requer um novo balanceamento a cada substituição de um
elemento. Evidentemente, constitui uma solução que deteriora o regimento da
instalação.
26
Equilíbrio de corrente por resistência
2.13.1.3 Equilíbrio de Corrente Mediante Indutância
Não adianta equilibrar os circuitos com indutâncias puras, pois estas seriam
eficazes somente durante a subida de corrente e inoperantes para corrente
constante. O procedimento mais interessante consiste em equilibrar as correntes por
acoplamento de indutâncias.
A restrição maior desse método será quanto ao custo de peso, para o caso de
vários elementos em paralelo.
No caso de tiristores, existe ainda o problema de que se uma unidade dispara
primeiro, a tensão terminal diminui ( 1V), e os demais elementos, por insuficiência
de tensão, retardarão a disparar, ou ainda, não conseguirão entrar em condução.
Por isso, a indutância em série L com cada tiristor deve também conter a tensão
terminal durante algum tempo.
27
Equilíbrio de corrente por indutância
A diferença ocorre entre o primeiro e o último elemento disparado vale:
∆I = AB .
Sendo ∆t a dispersão entre os tempos de disparo. Para diminuir as
discrepâncias em corrente, é desejável que as indutâncias sejam ligeiramente
resistivas para, após o disparo, exercerem o papel das resistências discutidas
anteriormente.
Um dos problemas da conexão em paralelo de tiristores ocorre quando a
corrente de carga cai para um valor baixo, acarretando o bloqueio de um ou mais
tiristores. Se ocorrer um aumento de corrente subseqüente, os tiristores que
permaneceram em condução sofrerão sobrecarga. Esse problema pode ser
resolvido por pulsos contínuos no gate durante a condução.
28
2.13.2 Tiristores em Série
Quando a tensão de alimentação de um circuito a semicondutores for maior
do que a tensão nominal do semicondutor, dois ou mais desses dispositivos devem
ser colocados em série para repartir a tensão. No funcionamento em série de
tiristores deve-se verificar que as tensões a que estão sujeitos seja compatível com
as características. A tensão deve ser repartida igualmente entre os dispositivos. Isso
constitui um problema difícil da associação em série de semicondutores, pois as
sobretensões em jogo são muito altas. Será tomado como exemplo o tiristor nas
duas condições de funcionamento: regime e transitório. As precauções a serem
tomadas estão relacionadas com estas duas condições.
2.13.2.1 Equilíbrio das Tensões em Regime
Por regime subentende-se que o tiristor esta em estado de bloqueio (direto ou
inverso) ou em estado de condução . Durante a condução, não existe problema de
repartição de tensão visto que todos os tiristores conduzem.
Durante o bloqueio, direto ou inverso, o tiristor apresenta uma impedância
bastante elevada (da ordem de MΩ), e é suficiente repartir a tensão colocando uma
resistência (de alguns kΩ) em paralelo com cada elemento para obter um divisor
potenciométrico, a corrente que circula pela resistência é maior do que a corrente de
fuga dos tiristores. A repartição da tensão será, então, independente da corrente de
fuga.
29
2.13.2.2 Equilíbrio de Tensões no Transitório
A condição de transitório significa que o tiristor está conduzindo ou
bloqueando. Para se obter o equilíbrio dinâmico das tensões, uma pequena
resistência (não indutiva) e um capacitor, ligados em série, são colocados em
paralelo com tiristor. Quando um tiristor começa a conduzir (ou entra em extinção),
isso constitui um degrau de tensão que se repercute sobre os outros elementos em
série, mas com variação atenuada pelos circuitos RC. A tensão nos terminais dos
elementos não disparados sobe com certa inclinação, em função da tensão e dos
valores de RS e CS. A resistência RS deve limitar a descarga do capacitor CS através
do tiristor quando este entra em condução.
Equilíbrio de tensões na conexão em série de tiristores
Todos os tiristores devem ser disparados ao mesmo tempo quando os sinais
de gate são aplicados simultaneamente. Para isso, a amplitude dos sinais de gate
deve ser a máxima permitida. E, também, uma indutância é colocada em série com o
circuito para atrasar a subida da corrente de ânodo até que todas as unidades
conduzam.
30
Finalmente, uma triagem precedente dos elementos junto ao fabricante deve
garantir tempos de disparo, bem como de extinção, muito próximos.
2.14 SOBRECARGA EM TIRISTORES
O tiristor pode sofrer dois tipos de sobre-cargas quando em uma lâmpada
Incandescente a carga controlada, além do efeito d i / d t e dos efeitos destrutivos já
estudados.
2.14.1 Corrente Inrush (Corrente de Pico)
A corrente inrush acontece pelo fato da resistência a frio do filamento da
lâmpada ser muito menor que a resistência a quente, por exemplo, se o TRIAC é
disparado no instante da máxima tensão da rede, a corrente INRUSH pode atingir de
10 a 15 vezes a corrente normal de operação. Fig.4.
Porém se o disparo for feito no instante em que a tensão é próximo de zero
esta corrente atinge no máximo 5 vezes a corrente normal.
31
2.14.2 Flashover (Disparo)
Ocorre quando o filamento da lâmpada se rompe. Devido a ionização existirá
um arco voltaico entre os dois terminais do filamento que se rompeu e a corrente é
limitada pela impedância da rede. Fig.5.
hxl nominal
I I
t t
Para amenizarmos efeitos INRUSH e FLASHOVER algumas já vem com
resistores e fusíveis.
3 TRIAC (TRIODE ALTERNATING CURRENT)
O TRIAC (TRIODE ALTERNATING CURRENT), é um dispositivo
semicondutor bidirecional, construído de três terminais (TRI), para corrente
Alternada (A.C.).
Sendo dos três terminais dois de potência (A1 e A2) e um de controle (GATE),
que pode receber tanto pulsos positivos como pulsos negativos para o tiristor entrar
em condução. O Triac é utilizado como comutador de corrente alternada sendo que
com maior eficiência nos controladores de onda completa, tanto em controle de
potência por ciclo integral como por fase.
O princípio de funcionamento do Triodo para Atuação em Corrente Alternada
é o mesmo do SCR.
33
3.1 ESTRUTURA INTERNA E SÍMBOLO DO TRIAC
Assim como no SCR, emprega-se aqui uma pastilha mono cristalina de silício,
na qual se difundem quantidade de outros elementos a fim de se criar várias regiões
de tipos “P” e “N”.
Observando-se a figura abaixo, nota-se a primeira vista que entre “A1” e “A2”,
existe um elemento “PNPN” em paralelo com um “PNPN” e ainda uma ilha de
material tipo “N” próximo ao GATE.
Pela estrutura interna, podemos observar que o terminal de gate está próximo
de A, que é considerado o terminal de referência para qualquer tipo de ligação. Os
terminais A1 e A2 estão conectados nas duas regiões P e N ao mesmo tempo, daí
bidirecionalidade.
34
3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DO TRIAC USANDO SCR
Como podemos observar na figura 2 o triac pode ser representado por dois
SCR’s em antiparalelo.
Quando um SCR encontra-se cortado o outro encontra-se em condução e vice-
versa. Logo ele conduzirá nos dois semiciclos da corrente alternada.
A vantagem do uso do triac em relação a dois SCR’s em anti-paralelo é a
simplicidade do circuito de disparo.
A substituição imediata de um triac por dois SCR’s conforme a figura A não é
possível pois este modelo apresenta duas falhas:
1ª - Não temos como explicar o disparo por pulsos negativo;
2ª - Como nos SCR’s a referência é o catado, teríamos que curto cicuitá-los
para termos uma única referência.
Porém de acordo com a figura B utilizam-se transformador de pulso para
isolarmos eletricamente os gate do SCR é possível a substituição de um triac por 2
SCR’s.
Fig. A Fig. B
Circuito Equivalente Do Triac Usando Scr
35
3.3 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO
Independentemente do quadrante de operação 1º ou 3º o TRIAC pode ser
disparado por pulsos positivos ou negativos no seu gatilho de controle. Em quanto
não houver sinal no gate, o triac permanece em estado de bloqueio desde que a
tensão entre seus terminais de potência não ultrapasse a tensão de disparo discreto
(VBO).
Ao ser ultrapassada a VBO, este entra em condução sendo a corrente através
dele limitada somente pela impedância do circuito.
Variando-se a corrente de gate pode-se variar VBO, isto é, a tensão de
disparo do triac e desta maneira modular a sua condução.
1 H
IL
IL
IH
VAVBO
CURVA CARACTERÍSTICA DO TRIAC
Quando a polarização, costuma se dizer que o triac opera nos quatro
quadrantes. Tomando como referência o terminal A1. Os quatro quadrantes são
definidos pela polaridade de A2 e do gate conforme fig.3.
36
QUADRANTE A2 G
I V > 0 V > 0
II V > 0 V < 0
III V < 0 V < 0
IV V < 0 V > 0
OBS: Comportamento em relação a A1 (terminal ref.)
Os quadrantes nos quais o TRIAC é mais sensível, são aqueles que o A2 e
gate apresentam mesma polaridade.
3.4 TIPOS DE TRIAC
A – TRIAC’S que admitem tanto pulsos positivos como negativos no seu gate
(em relação a A1).
B – TRIAC’S que só admitem no gate pulsos de mesma polaridade que A2
(em relação a A1).
37
P = 2v . 1
3.5 POTÊNCIA
O TRIAC quando em condução apresenta uma tensão entre seus terminais
em torno de 2v. Esta tensão multiplicada pela corrente conduzida nos dá, a
quantidade de calor que o mesmo está dissipando.
3.6 APLICAÇÕES
O TRIAC assim como o SCR são eficientes controladores de potência no
acionamento de cargas resistivas como lâmpadas incandescentes, resistências de
fornos, ebulidores e outras, como também em cargas indutivas como motores
universais, de indução, sistemas de proteção, alarmes, etc.
O controle pode ser por fase ou por ciclo integral, a diferença está na
simplificação e custo reduzido no uso do TRIAC. Apesar da bidirecionalidade do
TRIAC , o mesmo não compete com o SCR quando se trata de controle de grandes
correntes.
38
CONTROLE DE POTÊNCIA POR FASE
3.7 VANTAGENS DO TRIAC SOBRE O SCR
Relação custo benefício, bidirecionalidade.
3.8 DESVANTAGEM DO TRIAC SOBRE SCR
Apesar da bidirecionalidade do triac, o mesmo não complete com o SCR
quando se trata do controle de grandes correntes pois há SCR para quase 10KA em
quanto os triac’s não ultrapassam poucas centenas de Ampére.
4 DIAC (DIODE ALTERNATING CURRENT)
Possui dois terminais de funcionamento T1 e T2 funcionando como um diodo
avalanche bidirecional passando do bloqueio à condução com qualquer polaridade
de tensão aplicada a seus terminais.
Possui três camadas semicondutoras, mas não tem o comportamento do
transistor devido a sua dopagem.
4.1 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO
O DIAC atua como uma chave que liga quando a tensão de seus terminais
alcança a tensão de disparo VBO, sendo que depois de disparado a tensão em seus
terminais cai para um determinado valor, pois o DIAC entra na região de resistência
negativa e tente a se estabilizar.
O DIAC possui sua tensão de disparo (VBO) situa-se entre 27 a 42 volts
podendo variar ± 10% destes valores.
40
Curvas características do DIAC e Zener
4.2 EQUIVALENTE A DIODO ZENER
O DIAC pode ser considerado como dois diodos zener em oposição
conectadas em série.
Se a tensão for aplicada ao DIAC, por exemplo o sentido direto do diodo D1,
a corrente será a pequena corrente de fuga inversa do diodo D2 Quando a tensão
aumenta haverá somente um ligeiro aumento na corrente até que a tensão de
ruptura do diodo D2 seja alcançada.
A corrente aumenta rapidamente e a tensão cai ao valor de trabalho (Vw).
Nesta condição o DIAC esta conduzindo e a corrente só será limitada pelo circuito
externo. Quando a tensão aplicada for removida o DIAC retorna ao estado de não
condução. Se a tensão do DIAC for no sentido direto do diodo D2, uma ação
semelhante ocorre, porém, com sentido contrário.
Circuito Equivalente do Diac a Diodo Zener
41
4.3 APLICAÇÕES
O DIAC é geralmente utilizado para disparo tiristores, para proteção de
instrumentos contra sobre tensão e geração de dente de serra.
Veja na figura a disposição de um Triac com um DIAC. É também chamado
de quadrac.
O Diac serve como elemento de disparo do Triac por apresentar uma tensão
fixa de condução, permitindo dessa forma maior precisão no ângulo de disparo do
TRIAC. O circuito abaixo apresenta, dupla rede defasadora, isto é, duas constantes
de tempo permitindo maior faixa de atuação no controle de potência por fase.
Fig. 7
Controle de Potência por Fase com o Diac
As vantagens de se utilizar dupla rede defasadora RC consiste na possibilidade de
se atingir ângulos de disparo maiores e desta maneira operar com baixíssimas
42
tensões sobre a carga. A diminuição do fenômeno de histerese também se faz notar
aumentando a estabilidade no disparo do tiristor.
Quando a rede defasadora RC é simples a histerese é notada mais nitidamente para
grandes ângulos de disparo. Em cada disparo do TRIAC o capacitor da rede RC
(deslocador de fase) se descarrega numa dada proporção. Por ele não se obtém um
deslocamento de fase completo pois em cada semi-ciclo soma-se o efeito de
cruzamento do ângulo de disparo até chegar a um equilíbrio no circuito, portanto,
não se pode chegar a ângulos de disparo próximos de 180°, ou seja, não se pode
diminuir a potência sobre a carga a um valor menor do que um mínimo determinado.
Em um circuito com dupla rede defasadora pode–se teoricamente chegar a ângulos
de disparo de 270°, isto é, 90° no semi-ciclo segui nte e portanto o fenômeno da
histerese é muito menos notado.
5 ETAPAS DE ACOPLAMENTO
De acordo com os parágrafos anteriores, o sinal de gate deve possuir uma
característica VG x IG que não passe pela zona de disparo incerto. A corrente de gate
deve ser suficiente para que a corrente no tiristor atinja o valor da corrente de
latching.
Não é necessário manter a corrente de gate no seu valor de pico por toda a
duração do sinal. Essa corrente pode decrescer, sem inconvenientes, alguns µs
depois de seu início, desde que o ponto de funcionamento não entre na zona de
disparo incerto (IG < IGmin). O perfil típico de corrente de gate é ilustrado no gráfico
abaixo:
IG/IG min
1
5
t (us)0,1 à 0,5
Perfil típico da corrente de gate
Em geral, o sinal de gate é obtido a partir de uma tensão quadrada cuja
elaboração estudaremos durante o curso. O circuito de geração do sinal de
comando deve ser isolado do circuito do tiristor através de um transformador de
pulso ou de um opto-acoplador.
Na figura abaixo, temos o primeiro caso. O diodo D1 protege o tiristor,
permitindo um caminho de desmagnetização do transformador e impedindo a
aplicação de tensão reversa no gate. A resistência R2 compõe a característica VGxIG.
44
5.1 TRANSFORMADOR DE PULSO
Componente utilizado na transferência de sinal elétrico, através do
acoplamento magnético, sempre que haja necessidade de isolamento elétrico entre
os circuitos acoplados.
45
5.1.1 Características e Funcionamento
Um dos requisitos mais importantes é o acoplamento entre os enrolamentos
primário e secundário. É necessário que o tempo de subida do pulso elétrico de
saída não seja diminuído pelo transformador assim como o tempo de descida.
Relação de transformação de tensões no transformador de pulso
Existem, portanto, duas constantes de tempo. A primeira corresponde à
subida de potencial e vale L2⁄R2, sendo L2 a indutância de dispersão refletida no
primário e R2 a resistência total do circuito secundário.É importante reduzir ao
máximo a indutância de dispersão para que di/dt seja máximo.
A segunda constante de tempo corresponde a descida de potência, vale
LM/R1, sendo LM a indutância do primário e R1, sua resistência. Essa constante de
tempo caracteriza a capacidade de transmitir sinais de longa duração.
46
FÓRMULAS PARA DIMENSIONAR O TRAFO DE PULSO
Sendo:
V = TENSÃO DO PRIMÁRIO
T = TENSÃO DE DISPOSIÇÃO DO SINAL
N1 = Nº DE ESPIRAS DO PRIMÁRIO
φ = FLUXO MAGNÉTICO
Para aumentar a duração do sinal a transmitir diminuindo-se a tensão do
primário. Isto é, pode ser feito colocando-se um resistor no primário.
Se a montagem necessita de sinais de longa duração (≈ 1ms), n1.Φ é grande,
o que acarreta um valor elevado de LM (indutância própria do primário), aumenta
também L2 (indutância de dispersão total). Logo, o transformador para sinais longos
será maior e terá um tempo de subida menos apropriado.
Para um T.P. dado (n1 e Φ fixos), pode-se aumentar a duração do sinal a
transmitir diminuindo-se a tensão V do primário. Isto pode ser feito colocando-se um
resistor no primário em vez de no secundário.
Os T.P. usuais tem produtos V.t que raramente ultrapassam 1000Vµs. Nestas
condições, é difícil conseguir sinais com duração maior de 1ms. Para sinais longos,
outra alternativa é dada na próxima figura, o capacitor na base do transistor
amortece as bordas do pulso de entrada de tal maneira que o pico de tensão na
saída é menos agudo porém mais largo.
V.t = n1.φ
47
Circuito para disparo de longa duração e formas de onda.
O disparo por pulsos muitas vezes é mais conveniente que por disparo CC,
pois há redução na potência dissipada na junção gate- catodo e, a possibilidade de
obter isolação entre o circuito de disparo e a etapa de potência.
Os tiristores normalmente são especificados em termos de valores CC de
tensão e corrente que provocarão o disparo dos mesmos. Para pulsos “longos”, com
duração mínima de 100µs, os valores CC são aplicáveis, para pulsos curtos, os
valores de IGT e VGT aumentam.
Outra característica desejada é que a isolação entre enrolamentos seja
elevada (na ordem de Kv), para evitar que as tensões envolvidas causem danos ao
próprio transformador. Este requisito é conflitante com o forte acoplamento
necessário à transmissão de sinais.
48
5.2 ACOPLADORES ÓPTICOS
NC = NÃO CONECTADO
Duas são as vantagens dos opto- acopladores em relação ao transformador
de pulso:
• O isolamento entre a entrada e saída do componente é de dezenas a centenas de
megaohms;
• A transmissão do sinal é unidirecional, não necessitando de componentes externos
de proteção como ocorre com o T.P. quando se usa diodos.
O inconveniente dos acopladores ópticos é a necessidade de uma fonte extra
ligada ao gate para prover, por exemplo, a corrente do transistor como ilustra a
figura:
Acoplamento optico no disparo do SCR
50
5.3 ACOPLAMENTO PARA ONDA QUADRADA
Nos casos em que não é necessário o isolamento entre o circuito de disparo e
a etapa de potência e, o sinal de disparo é de forma quadrada, é conveniente fazer o
interfaceamento como mostra a figura.
Interface de acoplamento e formas de onda de entrada sobre o gate.
O pico de corrente no gate é determinado pelo valor de R1 pois inicialmente o
capacitor encontra-se descarregado. O tempo de descida da corrente até a
estabilização em torno de IG min é dependente da constante de tempo do circuito R1C
e o valor estável de corrente é dado pela soma de R1 e R2 pois neste instante o
capacitor encontra-se carregado. O tempo de descarga do capacitor é determinado
por R2,, que normalmente é desprezível visto que largura do pulso de disparo (Ton) é
da ordem de 100µs, isto é, bem menor que o intervalo de tempo entre dois pulsos
que é da ordem de 8,3ms no pior dos casos.
Para calcular o circuito parte- se de R1, que é dado por:
R1 =
50
A soma de R1 com R2 é:
R1 + R2 =
O tempo de carga do capacitor deve ser de 4 a 5 constantes de tempo R1C:
5R1C ≈ 0,5. 10-6
C = = =
6 TCA 785
O TCA 785 é um circuito integrado dedicado a circuitos de disparo de
tiristores. Quando há necessidades de precisão no disparo, sincronismo com a rede
de alimentação, simplificação do projeto e outras vantagens, o uso deste C.I. mostra-
se bastante vantajoso.
6.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO TCA 785
• Largo campo de aplicação devido à possibilidade de controle externo;
• Operação em circuitos trifásicos utilizando-se 3 CI’s;
• Compatível com LSL, TTL, MOS, CMOS;
• Duas saídas com correntes de 55mA e duas saídas complementares;
• Duração de pulso de disparo determinado por capacitor externo;
• Detecção de passagem de tensão por zero volts;
• Indicado também como “chave de ponto zero” e conversor tensão-freqüência;
• Possibilidade de inibição dos pulsos de disparo;
• Faixa de tensão de alimentação de 8V a 18V;
• Consumo interno de corrente de 5 mA.
6.2 DESCRIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO TCA 785
O diagrama em bloco é representado na figura abaixo.
O circuito é alimentado por fonte de tensão interna de 3,1 V, assegurando
independência dos parâmetros essenciais das variações de tensão de alimentação
VS (8 a 18V).
O consumo de corrente (cerca de 5 mA) é aproximadamente constante para
toda a faixa de tensão de alimentação. A tensão regulada é levada ao pino 8
52
através de uma resistência interna possibilitando nos circuitos trifásicos iguais
condições para o controle de todas fases, através da ligação paralela dos CI’s, para
melhorar a supressão de RF um capacitor pode ser colocado entre o pino 8 e terra.
Diagrama interno do TCA 785
A sincronização é obtida através de um detector de zero (pino 5) altamente
sensível, conectado a um registrador de sincronismo.
O gerador de rampa (cujo controle está na unidade lógica) consiste
essencialmente de uma fonte controlada de corrente constante, que carrega
linearmente um capacitor externo (pino 10, C10 ≤ 0,5 nF). A corrente desta fonte é
determinada por uma resistência externa (pino 9, R9 = 20 até 500 kΩ), o tempo de
subida da rampa é assim determinado pela combinação RC.
Operando com chave de ponto zero, a lógica do registrador de sincronismo
gera a informação na saída do detector de zero, para ser fornecida ao circuito
seguinte somente se o capacitor da rampa C10 estiver completamente descarregado.
O comparador de controle compara a tensão da rampa com a de controle V11
(pino 11) e provoca a saída de pulsos de disparo via unidade lógica. Pulsos positivos
de aproximadamente 30µs, que podem ter duração alterada através do capacitor
externo no pino 12, aparecem na saída A1 (pino 14) e A2 (pino 15). Se o pino 12 é
53
ligado a terra, a largura de pulso pode atingir até 180 º, as saídas A1 e A2 são
afetadas por meia onda, onde a saída A2 fornece pulsos de disparo somente se a
tensão de sincronização for positiva e a saída A1 somente se a tensão de
sincronização for negativa. As duas saídas (A1 e A2) são seguidor de emissor e com
corrente de 55 mA.
As correspondentes saídas invertidas A1 e A2 são em coletor aberto com
corrente máxima de 1,5 mA. Se o pino 13 for ligado à terra, a largura do pulso pode
atingir até 180º.
Algumas saídas podem ser inibidas através do pino 6, conectando-se este à
terra. Para aplicações com TRIAC’s pode-se usar saída Z (pino 7) que é a soma
lógica “NOR” das funções A1 e A2.
Características da Pinagem do TCA 785.
PINOS FUNÇÂO
- PINO 01 → O V - Terra.
- PINO 02 → Saída complementar de A2 – coletor aberto Imáx. 1,5 mA..
- PINO 03 → Saída U - coletor aberto.
- PINO 04 → Saída complementar de A1 - coletor aberto Imáx. 1,5 mA.
- PINO 05 → Detector de zero para sincronização.
- PINO 06 → Inibidor de disparo – levando a 0 V.
- PINO 07 → Saída Z- soma lógica NOR de A1 e A2
- PINO 08 → Tensão estabilizada interna – 3,1 V.
- PINO 09 → Rp – controla a corrente de carga de cp ( 20 kΩ ≤Rp ≤500KΩ).
- PINO 10 → Cp – capacitor de formação da rampa (Cp ≤ 500 nF).
- PINO 11 → Tensão de controle – é comparada à tensão da rampa – em cada
cruzamento muda a saída.
- PINO 12 → Capacitor de controle da largura do pulso de disparo (+ 500 µs/nF).
- PINO 13 → Comutação para pulso longo dos pinos 2 e 4 comuta com 0 V.
- PINO 14 → Saída A1 – semi-ciclo negativo – seguidor de emissor – Imáz. 55 mA.
- PINO 15 → Saída A2 – semi-ciclo positivo – seguidor de emissor – Imáx. 55 mA.
- PINO 16 → Alimentação – 8 V ≤ Vcc ≤ 18 V.
54
6.3 FORMAS DE ONDA NO TCA 785
Gráficos: Tensão de Entrada x Tensão de Rampa x Largura de Pulso
55
6.3.1 COMPARAÇÃO: SAÍDA Q X SAÍDA Q
Gráficos : Níveis de tensão nas saídas do TCA 785
7 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO
São chaves semicondutoras utilizadas quando se requer confiabilidade,
elevada velocidade de operação, dimensões físicas e peso reduzidas. É
especialmente aconselhável aplicar os SSR’s em caso de presença de materiais
inflamáveis, atmosferas gasosas explosivas e outras situações nas quais é
indesejável o faiscamento dos relés convencionais, cotactoras ou chaves de
comando.
O disparo do SSR’s normalmente se faz em tensão nula e o bloqueio quando
cessa a corrente, no caso mais comum quando se trabalha em CA e desta forma se
evita a emissão de RFI (RÁDIO FREQUENCY INTERFERENCE).
Vantagens dos SSR’s sobre Relés Eletromecânicos:
- Inexistência de partes móveis e nem parte metálicas sujeitas a corrosão;
- Não há aparecimento de Arco Voltaico e nem de RFI;
- Elevada Velocidade de Comutação;
- Disparo em tensão nula aumenta a vida da carga,facilmente observável em
lâmpada de tungstênio;
- Expectativa de vida útil 20 vezes maior que as eletrônicas;
- Imunidade contra choques e vibrações,possibilitando instalação em qualquer
posição;
- Facilidade de adaptação a controle eletrônico com níveis TTL ou CMOS.
Desvantagens dos SSR’s em relação aos Relés Eletromecânicos.
- Sujeito à falhas sob condições de sobre tensão ou sobre corrente;
- Não proporciona isolação completa (corrente de fuga) quando bloqueado e nos
casos onde aparece o SNUBBER, a isolação diminui;
- Existe queda de tensão de cerca de 1 a 2 volts quando em condução.
57
O circuito da figura a cima mostra a configuração típica e em blocos de
aplicação deste tipo de controle de potência. O circuito de controle é que permite ou
não o disparo dos tiristores, normalmente é composto por sensores, amplificadores,
comparadores ou mesmo temporizadores. Para dimensionar os tiristores deve-se
tomar cuidado pois a corrente eficaz sobre cada SCR não é metade da corrente
eficaz sobre a carga mais sim dada pela equação:
IRMS(SCR) = I RMS(carga)
√2
Os SSR’s são também chamados de ZERO CROSSING SWITCH ou
CONTROLE ON-OFF POR CICLO INTEGRAL. Neste tipo de controle liga-se os
tiristores por vários ciclos completos e desliga-se por alguns também completos.
Note que a potência sobre a carga é controlada pela relação TON e TOFF. Isto é,
relação de trabalho.
Os tiristores são sempre disparados quando a tensão passa por zero, tendo-
se assim um crescimento da corrente proporcional ao crescimento da tensão, isto é,
senoidalmente. Com isso não se gera RFI e temos sempre a corrente em fase com a
tensão, para o caso de cargas resistivas.
Note que o controle da potência por ciclo integral é idêntico a utilização de
estado sólido, apresentando mesmas vantagens e desvantagens. Normalmente fala-
se em ciclo integral quando envolve o disparo de tiristores em intervalos de tempo
compatíveis ao período da rede de CA e, em SSR quando os tempos de condução
são maiores.
58
É importante considerar o parâmetro dI/dt neste caso, pois este parâmetro
mede a variação da corrente no intervalo de tempo dt, isto é, a derivada da corrente.
Considerando um corrente senoidal dada por:
I(t)= Ip.sen.wt
A primeira derivada é dado por:
dI/dt=Ip.w.cos.wt
Para cada t pequeno ou próximo de zero, o cosseno vale aproximadamente I,
garantindo um dI/dt muito pequeno quando comparado com dI/dt do caso da
potência ser controlada por fase.
59
FORMULÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Tensão de disparo Ângulo de disparo Corrente RMS
V( ) = Vp . sen
= arc sen
IRMS =
FÓRMULAS PARA SCR
Tensão Média Tensão Eficaz Corrente RMS Potência na carga
VM =
VRMS =
Vp
IRMS =
PL =
FÓRMULAS PARA TRIAC
Tensão Eficaz na carga Tensão Eficaz na carga (indutiva)
VRMS =
VRMS =
Dimensionamento
Cálculo da Potência dissipada no SCR
Cálculo da Potência dissipada no TRIAC
PSCR = VAK . IRMS (MÁX)
Pdis = VA1A2 . IRMS (MÁX)
VBO < Vp
VBO< Vp