Tiristores

SCR – Retificador Controlado de Silício

DIAC

TRIAC

Transistor de Unijunção

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Tiristor

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A função de um tiristor é de controlar a potência entregue para grandes cargas, como motores, aquecedores, converter CA em CC, CC em CA, etc.

Os tiristores trabalham sempre entre dois estados de funcionamento: o corte e a condução, por isso podemos dizer que são dispositivos de comutação.

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SCR – Rectificador Controlado SCR – Rectificador Controlado de Silíciode SilícioÉ o principal dos tiristores pelo número e aplicações.Permite não só retificar uma corrente alternada mas também controlar a corrente que passa por ele e pela carga ligada em série com ele.

Símbolo:

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Constituição

É constituído por quatro camadas de material semicondutor PNPN (silício), originando três junções PN. Possui três terminais designados por Ânodo (A), Cátodo (K) e Gate (G) ou Porta.

A

K

G

O circuito equivalente de um SCR corresponde a dois transístores complementares, em que o colector de um está ligado à base do outro e o colector do outro na base do primeiro. Uma das bases corresponde ao terminal de disparo, gate ou porta.

KK

G

A

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Encapsulamento

KG

A

Ânodo

Cátodo

Gate

K

GA

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Princípio de funcionamento O funcionamento do SCR é semelhante ao do díodo.

Para além do ânodo e cátodo estarem polarizados diretamente (ânodo a um potencial positivo em relação ao cátodo) é necessário ainda ... aplicar uma tensão positiva adequada na porta (gate), para que circule corrente entre ânodo e cátodo.

Polarização Direta de um SCR

J1 e J3 polarizados diretamente

J2 polarizado reversamente: apresenta maior barreira de potencial

Flui pequena corrente de fuga direta do ânodo para o cátodo, IForward

Bloqueio direto – DESLIGADO

A

K

G

Polarização Reversa de um SCR

J2 diretamente polarizada

J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maiores barreiras de potencial

Flui pequena corrente de fuga reversa do cátodo para o ânodo, IR

Bloqueio reverso - DESLIGADO

A

K

G

SCR em condução

Polarização direta ( VAK > 0 ) É necessário uma corrente de gatilho (pulso), IG

Corrente direta (ânodo-cátodo) superior a IL (corrente de disparo) antes da extinção da corrente de gatilho

Após extinção de IG, corrente direta superior à corrente de manutenção (IH) para manter o SCR em condução (indicada pelo fabricante).

Curva característica estática de um SCR

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Métodos de controle de potência entregue à cargaDisparo síncrono ou disparo a tensão nula

O disparo do tiristor produz-se neste sistema de controle de potência entregue à carga, quando a tensão ânodo – cátodo está a zero (daí disparo a tensão nula).A carga e o tirístor estão ligados em série com a alimentação da corrente alternada e só pode passar corrente na carga durante os semicíclos em que o ânodo é positivo em, relação ao cátodo e na porta (ou gate) se aplica um impulso positivo de corrente. O impulso na gate (ou porta) controla o período de condução do tirístor.

Se na porta se aplicarem impulsos positivos de corrente que coincidam com o início de cada semicíclo positivo, o tirístor conduzirá todos os semiciclos positivos.

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Métodos de controle de potência entregue à cargaControle de fase

Enquanto que no disparo síncrono os impulsos de corrente aplicados na porta coincidem com o início de todos ou de alguns dos semiciclos positivos, no controle de fase os impulsos da corrente de disparo têm lugar dentro de cada semiciclo positivo da tensão de alimentação.O ângulo para o qual se inicia a condução designa-se por ângulo de disparo, enquanto o ângulo durante o qual o tiristor se encontra à condução denomina-se de ângulo de condução.

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Circuito de disparo de um tiristor com um diacO diac utiliza-se em circuitos, relativamente econômicos de disparo de tiristores.

Neste circuito as resistências R1 e R2, juntamente com o capacitor C, formam um circuito RC de constante de tempo () igual a (R1 + R2) x C.O capacitor r carrega-se nos semiciclos positivos e nos terminais do mesmo aparece uma tensão que, por sua vez, deriva para o circuito formado pelo diac (DC), a resistência R3 e a gate do tiristor, já que estão em derivação com o capacitor C.

A gate do tiristor está contudo isolada dos impulsos do capacitor pelo diac até que este entre em condução.Quando a tensão aos terminais do condensador ultrapassa a tensão de ruptura do diac (normalmente à volta dos 30 Volt) este conduz e a corrente é aplicada à gate do tirístor, originando o disparo deste, passando a circular corrente através da carga (Rc).

Rc

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Curva característica estática de um SCR

Para tensões inversas aplicadas (3º quadrante do gráfico), o cristal semicondutor comporta-se como qualquer díodo de junção. Há uma corrente de fuga muito reduzida, até que atingindo-se a tensão de zener, a corrente aumenta bruscamente e ligeiras variações de tensão dão origem a grandes variações de corrente.

Tensão directa

Tensão inversa

Corrente de fuga

Corrente de fuga

VRO

I directa

I inversa

VT

Curva característica de um tiristor com o gate aberto

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Curva característica estática de um SCR Com tensões directas (1º

quadrante do gráfico) o caso é diferente. Para pequenas tensões começa também a aparecer uma pequena corrente de fuga, mas quando a tensão atinge um valor VRO, observa-se um aumento brusco de corrente, baixando imediatamente a queda de tensão interna no tirístor para um valor pequeno (VT). Chama-se a VRO a tensão de ruptura, sendo de notar que a letra O de VRO significa “Open” (aberto). Tudo isto se passa portanto com o gate aberto. O tiristor passa a conduzir fortemente, uma vez atingida a tensão VRO.

Tensão directa

Tensão inversa

Corrente de fuga

Corrente de fuga

VRO

I directa

I inversa

VT

Curva característica de um tirístor com a gate aberta

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Na prática não se aplica ao tiristor uma tensão tão alta como VRO, pois isso pode danificar o dispositivo. O que se faz é aplicar um impulso positivo ao gate e, ainda que seja relativamente baixa a tensão direta (muito inferior a VRO) o SCR passa rapidamente ao estado de condução.

Quando o tiristor entra em franca condução a tensão da fonte vai praticamente ficar aplicada integralmente na carga do circuito, pois uma vez que a resistência interna cai a um valor muito baixo, também assim acontece à tensão entre o ânodo e o cátodo.

Curva característica estática de um SCR

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Características técnicas

VDRM Tensão máxima repetitiva em estado de não condução.

ITRMS Corrente eficaz máxima em condução.

IGT Corrente máxima de disparo no gate.

VGT Tensão máxima de disparo no gate.

VTM Queda de tensão máxima em condução.

IH Corrente de manutenção.

ITSM Corrente máxima transitória.

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SCS (Silicon Controlled SCS (Silicon Controlled Switch)Switch)

As iniciais SCS significam interruptor controlado de silício.

É um tirístor semelhante ao SCR, mas com dois terminais de disparo, a gate (ou porta) de ânodo, Ga, e a gate (ou porta) de cátodo, Gk, permitindo disparo por impulsos negativos ou positivos, respectivamente.

Não é muito comum, sendo geralmente de baixa potência.

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GTO (Gate Turn Off)GTO (Gate Turn Off)

Se aplicarmos um impulso positivo na gate o tirístor conduz, se aplicarmos um impulso negativo na gate o tirístor deixa de conduzir.

Todos os tirístores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente mínima de manutenção (IH), o que exige em certos casos circuitos especiais para desligar. O GTO permite ser desligado por impulso negativo de alta corrente na gate, em geral produzido através da descarga de um capacitor

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Foto-SCRFoto-SCRTambém é designado por SCR controlado por luz ou LASCR (Light Activation SCR).Trata-se de um SCR cujo disparo é realizado mediante uma radiação luminosa.Se expusermos a junção PN central à luz, através de uma janela e lente, esta se comportará como um fotodíodo, disparando o SCR.

DIAC & TRIACDIAC & TRIAC

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Diode for Alternating Current Diode for Alternating Current DIACDIAC É um tiristor de avalanche, sendo disparado com tensões

de algumas dezenas de volts aplicados entre ânodo e cátodo.

Este tiristor não tem gate, (TRIAC sem gate) é um dispositivo de quatro camadas.

Pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar um determinado valor chamado de tensão breakdown (VBR) ou tensão de ruptura (VRO) – com um valor típico de 35 Volt – voltando ao corte quando a corrente cair abaixo de um dado valor chamado de corrente de manutenção (IH).

O diac é utilizado como dispositivo auxiliar de disparo dos SCR e dos triacs.

A1

A2

npnpn

A1

A2

IF

IH

VBR(F)

VFVR

-VBR(R)

-IH

IR

BasicConstruction

SymbolCharacteristic Curve

A1

A2

npnpn

A1

A2

IF

IH

VBR(F)

VFVR

-VBR(R)

-IH

IR

BasicConstruction

SymbolCharacteristic Curve

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Curva característica estática de um DIAC

Circuito de disparo de um tiristor com um diac

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230Vca

Controle de motor DC

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TRIACTRIAC

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MT1

MT2

G

MT1 MT2

G

Tiristores conduzem a corrente só num sentido. Para regular a corrente alternada numa carga, com dispositivos semicondutores de potência, é necessário o uso de dois tiristores, logicamente montados em paralelo e em oposição. Para realização destes dois

dispositivos num só criou-se o triactriac.

Curva característica estática de um TRIAC

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29

MT1MT2

G

Encapsulamento

Quadrantes de disparo do Triac

30

31

230Vca

A1

A2

G

D1

D2

R1

RL

Trigger Point(adjusted by R1)

Trigger Point

Voltage Waveformacross RL

A1

A2

G

D1

D2

R1

RL

Trigger Point(adjusted by R1)

Trigger Point

Voltage Waveformacross RL

Ponto de disparo.

Ponto de disparo ajustado em P1.

Se: R o diac dispara mais cedo ( ) o triac conduz mais cedo ( ) a carga recebe mais potência. R o diac dispara mais tarde ( ) o triac conduz mais tarde ( ) a carga recebe menos potência.

Controle de iluminação de uma lâmpada com um triactriac disparado por um diacdiac.

UJT – TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO

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33

+

6 a 30 Volt

_

+

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 uma tensão menor, porém proporcional àquela que foi aplicada a B2. Suponhamos que R b2 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 “díodo” do emissor terá uma tensão de 5 Volt. 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 Volt 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 R b1 para a linha de negativo da alimentação. Mantendo-se no exemplo, uma tensão de emissor igual ou maior do que 5,6 Volt determinará a passagem de uma corrente; já qualquer tensão inferior (a 5,6V) será incapaz de originar passagem da corrente eléctrica 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 accionado por tensão.

Aplicação

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