TIRISTORES (MÓDULO) MECATRÔNICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA PROFº CLAYTON

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1 TIRISTORES (MÓDULO) MECATRÔNICA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA PROFº CLAYTON

2 2 Eletrônica de Potência

3 ÍNDICE TIRISTORES O DIODO DE QUATRO CAMADAS...4 Realimentação positiva...4 Fechando uma trava...5 Abrindo uma trava...6 O diodo Shockley...6 Características da avalanche direta O retificador controlador de silício...10 Disparo pela porta...10 Tensão de bloqueio...10 Taxa crítica de elevação...11 Corrente de disparo e tensão de disparo...12 Protetor de carga com SCR (crowbar) AS VARIAÇÕES DE SCR...16 Foto-SCR...16 Chave controlada pela porta...17 Chave controlada de silício TIRISTORES BIDIRECIONAIS...20 Diac...20 Triac O TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO...23 Razão intrínseca de afastamento...23 Como funciona o UJT...24 Circuito equivalente de travamento OUTRAS APLICAÇÕES PARA O TIRISTOR...26 Detector de sobretensão...26 Gerador de onda dente de serra...27 SCR alavanca...27 Oscilador de relaxação com UJT...29 Ignição de automóvel...30 Controle com acoplador ótico ou optoacoplador...30 SCR disparado por Diac...31 Controle em onda completa...31 SCR controlado por um microprocessador...32

4 4 Eletrônica de Potência TIRISTORES 1.1 O DIODO DE QUATRO CAMADAS A palavra tiristor vem do grego e significa porta, igual a abrir uma porta e permitir que alguma coisa passe por ela. Para começar, você pode pensar que um tiristor é como um novo tipo de chave. Todos os tiristores podem ser explicados em termos do circuito mostrado na figura 1.1a. Observe que o transistor superior Q 1 é um dispositivo PNP e o transistor inferior Q2 é um dispositivo NPN. O coletor de Q1 aciona a base de Q2, e o coletor de Q2 aciona a base de Q1. Realimentação positiva Devido à conexão incomum na fig. 1.1, temos uma realimentação positiva. Uma variação na corrente em qualquer ponto do loop de realimentação é amplificada e reconduzida ao ponto inicial com a mesma fase. Por exemplo, se a corrente na base de Q 2 aumenta, a corrente no coletor de Q 2 também aumenta. Isso força uma corrente de base maior através de Q1, que aciona mais intensamente a base de Q 2. Essa elevação de corrente continuará até que os dois transistores estejam na saturação. Nesse caso, o circuito funciona como uma chave fechada (fig. 1.1b). Porém, se por algum motivo a corrente de base de Q 2 diminuirá também, reduzindo a corrente de base de Q1. Por sua vez, haverá menos, também, corrente de coletor em Q1, que reduz a corrente de base de Q 2 ainda mais. Essa realimentação positiva continua até que os dois transistores entrem em corte. Assim, o circuito funciona como uma chave aberta (fig. 1.1c). O circuito de chaveamento pode estar em qualquer um dos dois estados: fechado ou aberto. Ele permanecerá indefinidamente em um dos estados. Se o circuito de chaveamento estiver fechado, ele permanecerá fechado até que alguma coisa provoque uma diminuição de corrente. Se ele estiver aberto, permanecerá aberto até que uma outra coisa force um aumento na corrente. Como esse tipo de operação de chaveamento está baseado na realimentação positiva, o circuito é chamado trava (latch). Figura 1.1 Trava com transistores.

5 Tiristores 5 Fechando uma trava Admita que a trava da fig.1.2a esteja aberta. Então, o circuito equivalente é uma chave aberta como mostrado na fig.1.2b. Como não há corrente através do resistor de carga, a tensão de saída é igual à tensão de realimentação. Isso significa que o ponto de operação está extremidade inferior da reta de carga (fig.1.2d). Como podemos fechar a travar? Uma forma é pelo disparo. A idéia é aplicar um disparo (pulso estreito) para polarizar diretamente o diodo base-emissor de Q 2 na fig.1.2a. No ponto A do eixo do tempo, o disparo liga momentaneamente a corrente de base de Q 2. A corrente de coletor de Q 2 avança subitamente e força uma corrente de base através de Q1. Por sua vez, a corrente de coletor de Q1 avança e aciona com maior intensidade a base de Q 2. Como o coletor de Q1 agora alimenta a corrente de base Q 2, o pulso de disparo não é mais necessário. Uma vez que a realimentação positiva comece, ela irá auto-sustentar-se e levará os dois transistores à saturação. A mínima corrente de entrada necessária para iniciar a operação de chaveamento é chamada corrente de disparo. Quando saturados, os dois transistores se parecem idealmente com curtoscircuitos, e a trava está fechada (fig.1.2c). idealmente, a trava tem zero volt de tensão através dela quando está fechada, e o ponto de operação está na extremidade superior da reta de carga (fig.1.2d). Uma outra forma de fechar a trava é pela avalanche direta (breakover). Isso significa o uso de uma grande tensão de alimentação VCC que leva à região de ruptura o diodo coletor de cada transistor. Uma vez que a ruptura comece, surge uma corrente no coletor de um dos transistores que aciona a base do outro. O efeito é como se a base tivesse recebido um disparo. Embora a avalanche direta comece com a ruptura de um dos diodos coletor, ela termina com os dois transistores no estado saturado. Por isso usa-se o termo avalanche direta em vez de ruptura para descrever esse tipo de fechamento da trava. Fig.1.2 Trava com transistor com entrada de disparo.

6 6 Eletrônica de Potência Abrindo uma trava Como se abre uma trava ideal? Uma forma é reduzir a corrente de carga para zero. Isso força o transistor a sair da saturação e retornar à condição de aberto. Por exemplo, na fig. 1.2a podemos abrir o resistor de carga. Alternativamente, podemos reduzir a tensão de alimentação VCC para zero. Nos dois casos, uma trava fechada será forçada a abrir. Chamamos esse tipo de abertura de desligamento por baixa corrente porque ele depende da redução da corrente na trava para um baixo valor. Uma outra forma de abrir a trava é aplicar um disparo com polaridade reversa no circuito da fig. 1.2a. Quando se usa um disparo negativo, em vez de um positivo, a corrente de base Q 2 diminui. Isso força a corrente de base Q1 a diminuir. Como a corrente de coletor de Q1 também diminui, a realimentação positiva leva os dois transistores ao corte, o que abre a trava. Aqui estão as formas básicas para fechar e abrir uma trava: 1. Podemos fechar uma trava por meio de disparo de polarização direta ou por meio de avalanche direta. 2. Podemos abrir uma trava por meio de disparo de polarização reversa ou por meio de desligamento por baixa corrente. Existem muitos tipos diferentes de tiristores. O tipo mais simples pode ser fechado apenas por meio de avalanche direta e pode ser aberto por meio de desligamento por baixa corrente. Os tipos mais populares são fechados por meio de desligamento por baixa corrente. Alguns tipos raros podem ser fechados e abertos por qualquer uma das formas descritas aqui. O diodo Shockley O dispositivo na fig. 1.3a é chamado diodo de quatro camadas (também conhecido como diodo Shockley). Ele é classificado como um diodo porque tem apenas dois terminais externos. Devido às suas quatro regiões dopadas, ele é muitas vezes chamado diodo pnpn. A forma mais simples de entender como ele funcionar é imaginar esse dispositivo separado em duas metades, como mostrado na fig. 1.3b. A metade da esquerda é um transistor pnp e a metade da direita é um transistor npn. Portanto, o diodo de quatro camadas é equivalente à trava mostrada na fig. 1.3c. Fig. 1.3 Diodo de quatro camadas.

7 Tiristores 7 Por não haver entrada alguma de disparo, a única forma de fechar um diodo de quatro camadas é por meio de avalanche direta, e a única forma de abri-lo é por meio de desligamento por baixa corrente. Com um diodo de quatro camadas não é necessário reduzir a corrente a zero para abrir a trava. Os transistores internos do diodo de quatro camadas sairão da saturação quando a corrente for reduzida a um valor baixo chamado corrente de manutenção. A fig. 1.3d mostra o símbolo esquemático para um diodo de quatro camadas. Após um diodo de quatro camadas chegar à avalanche direta, a tensão através dele cai a um valor baixo, dependendo do valor da corrente. Por exemplo, a fig. 1.3e mostra a corrente versus a tensão para um 1N5158. observe que a tensão aumenta com a corrente através do dispositivo: 1V a 0,2A; 1,5V a 0,95A; 2V a 1,8A e assim por diante. Características da avalanche direta A fig. 1.4 mostra o gráfico da corrente versus a tensão para um diodo de avalanche direta. O dispositivo tem duas regiões de operação: não-condutora e condutora. Quando está na região não-condutora, ele opera na linha inferior sem corrente com uma tensão menor do que VB. Se a tensão tentar exceder a VB, o diodo de quatro camadas chega na avalanche direta e chaveia ao longo da linha tracejada da região de condução. A linha tracejada nesse gráfico indica uma condição instável ou temporária. O dispositivo pode ter valores de corrente e tensão nessa linha tracejada apenas brevemente, enquanto chaveia entre as duas regiões estáveis de operação. Quando o diodo de quatro camadas está em condução, ele opera na reta superior. Enquanto a corrente através dele for maior que a corrente de manutenção I H, a tensão através dele será ligeiramente maior do que VK, mostrada na fig Essa tensão de joelho depende do dispositivo em particular. Muitas vezes, ela está próxima de 0,7V. Para manter as coisas simples e fáceis de lembrar usaremos 0,7V, a menos que uma tensão de joelho mais precisa esteja disponível na folha de dados. Para a terceira aproximação, podemos incluir a resistência de massa do diodo calculando a tensão total no diodo. VD = VK + I D R B fig. 1.4 (1.1) Características da avalanche direta. Exemplo 1

8 8 Eletrônica de Potência Na fig. 1.5a, a tensão de entrada é de +15V. Qual a corrente no diodo? Qual a tensão de entrada no ponto de desligamento? Solução Usamos a segunda aproximação com uma tensão de joelho de 0,7V. Como o diodo de quatro camadas tem 0,7V através dele quando em condução, a corrente é I= 15 0,7V = 143 ma 100 Ω Para abrir o diodo de quatro camadas, temos de reduzir a corrente a um valor abaixo da corrente de manutenção de 4mA. Isso significa uma redução na corrente de entrada a um valor ligeiramente menor que V = 0,7 V + (4mA )(100 Ω) =1,1V fig. 1.5 Exemplo. Se você está pensando no que o circuito faz, aqui está uma breve explicação. Quando a alimentação é aplicada pela primeira vez no circuito, a tensão no capacitor é zero. O capacitor carrega-se e sua tensão aumenta de 0 para 15V. Quando a tensão no capacitor for ligeiramente maior do que 9V, o diodo de quatro camadas chega à avalanche direta e torna-se equivalente a uma chave fechada. Isso força o capacitor a se descarregar através do resistor de 100Ω. Enquanto o capacitor se descarrega, a sua tensão diminui, e isto faz com que a corrente no diodo diminua. Quando a corrente no diodo é ligeiramente menor do que a corrente de manutenção, o diodo abre-se. Então, o capacitor começa a se descarregar novamente. O ciclo se repete com o diodo atingido a avalanche direta, descarregando o capacitor e assim por diante. A saída do circuito é um pulso estreito de tensão através do resistor de carga. Esse pulso estreito de tensão aparece quando o diodo atinge a avalanche direta. O pulso tem duração muito curta, porque o capacitor se descarrega rapidamente.

9 Tiristores 9 Exemplo 2 O capacitor no circuito da fig. 1.5b muda de 0,7V para 9V, provocando a avalanche direta no diodo de quatro camadas. Neste exemplo, qual a corrente através do resistor de 2kΩ imediatamente antes da avalanche direta e quando o diodo está conduzindo? Solução Imediatamente antes da avalanche direta, a tensão através do capacitor e do diodo é ligeiramente menor do que 9V. portanto, a corrente através do resistor de 2kΩ é I= 15 9V = 3mA 2 kω Como o diodo está desligado, toda a corrente está carregando o capacitor. Quando o diodo está conduzindo, ele tem uma tensão de 0,7V (segunda aproximação). Portanto, a corrente através do resistor de 2kΩ é I= 15 0,7 = 7,15 ma 2 kω Exemplo 3 Na fig. 1.5c, a tensão no capacitor é ligeiramente maior do que 9V e a tensão no diodo é de 0,7V. Neste exemplo, qual a corrente através do resistor de 100Ω? Solução A tensão através do resistor de 100Ω é a diferença entre a tensão no capacitor e a tensão no diodo: V = 9V 0,7 V = 8,3V Portanto, a lei de Ohm dá I= 8,3V = 83 ma 100 Ω

10 Eletrônica de Potência O retificador controlador de silício O retificador controlador de silício (SCR Silicon Controlled Rectifier) é mais útil que um diodo de quatro camadas porque ele tem um terminal extra conectado à base da seção npn, como mostrado na fig. 1.6a. Novamente, você pode imaginar as quatro regiões dopadas separadas em dois transistores, como mostrado na fig. 1.6d. sempre que você vir isso, lembre-se de que ele é equivalente a uma trava com uma entrada de disparo. Disparo pela porta A porta de um SCR é aproximadamente equivalente a um diodo (veja a fig. 1.6c). por essa razão, ela precisa de pelo menos 0,7V para disparar um SCR. Além disso, para que a realimentação positiva seja iniciada, uma corrente mínima de entrada é necessária. As folhas de dados de um 2N4441 nos dá uma tensão de disparo típica de 0,75V e uma corrente de disparo de 10mA em 0,75V, caso contrário o SCR não fechará a trava. Quando um SCR está conduzindo, ele tem uma baixa queda de tensão. Por exemplo, um 2N4441 tem uma queda de tensão de 1V quando ligado. Para abrir um SCR, a operação é similar àquela para o diodo de quatro camadas. Você tem de diminuir a corrente do SCR para um valor menor do que a corrente de manutenção dele. Por exemplo, o 2N4441 tem uma corrente de manutenção e 6 ma. Então, ele subitamente parará de conduzir e irá tornar-se um circuito aberto. Fig. 1.6 Retificador controlador de silício. Tensão de bloqueio Os SCRs não são construídos para operar com avalanche direta. As tensões de avalanche direta se situam na faixa de cerca de 50V a mais que 2.500V, dependendo do tipo do SCR. A maioria dos SCRs é projetada para fechar por meio de disparo e abrir por meio de baixa corrente. Em outras palavras, um SCR permanece aberto até que um disparo acione a sua porta (fig. 1.6d). Então, o SCR trava e permanece fechado, mesmo que o disparo desapareça. A única forma de abrir um SCR é por meio de um desligamento por baixa corrente.

11 Tiristores 11 A maioria das pessoas pensa que o SCR é um dispositivo que bloqueia a tensão até que o disparo o feche. Por essa razão, a tensão de avalanche direta é muitas vezes chamada tensão de bloqueio direta nas folhas de dados. Por exemplo, o 2N4441 pode conduzir até 8A continuamente. A sua corrente de disparo é de 10mA, e esta também é a sua corrente de manutenção. Isso significa que você precisa alimentar a porta com pelo menos 10mA para controlar até 8A de corrente de anodo. (O anodo e o catodo são mostrados na fig. 1.6d). Como outro exemplo, o C701 é um SCR que pode conduzir até 1.250A com uma corrente de disparo e de manutenção de 500mA. Taxa crítica de elevação Em muitas aplicações, é usada uma tensão ca de alimentação com o SCR. Fazendo o disparo por meio da porta num certo ponto do ciclo, podemos controlar uma grande quantidade de potência ca para uma carga tal como um motor, um aquecedor ou qualquer outra. Devido às capacitâncias de junção internas ao SCR, é possível que uma tensão de alimentação que varie rapidamente dispare o SCR. Colocando de outra forma, se a taxa de elevação da tensão direta for suficientemente alta, a corrente de carga capacitiva pode iniciar a realimentação positiva. Para evitar o disparo falso de um SCR, a taxa da variação da tensão no anodo não deve exceder à taxa de elevação de tensão fornecida pela folha de dados. Por exemplo, um 2N4441 tem uma taxa crítica de elevação de 50 V µs. Para evitar um disparo falso, a tensão do anodo não deve subir mais rápido do que isso. Um outro exemplo, o C701 tem uma taxa crítica de elevação de tensão de 200 V µs. Para evitar um fechamento falso, a tensão do anodo não deve aumentar mais rapidamente do que esse valor. Os transientes de chaveamento são as principais causas da taxa crítica de elevação da tensão ser ultrapassada. Uma forma de reduzir os efeitos dos transientes de chaveamento é com um amortecedor RC (RC snubber), mostrado na fig. 1.7a. Se um transiente de chaveamento de alta velocidade aparecer na tensão de alimentação, a sua taxa de elevação de tensão no anodo depende da resistência de carga, bem como dos valores de R e C. Os SCRs de maior capacidade também têm uma taxa crítica de elevação de corrente. Por exemplo, C701 tem uma taxa crítica de elevação de corrente de 150 A µs. Se a corrente do anodo tentar subir mais rapidamente do que esse valor, o SCR pode ser danificado. Incluindo um indutor em série, como mostrado na fig. 1.7b, você reduz a taxa de elevação de tensão. Fig. 1.7 (a) Amortecedor RC; (b) o indutor protege o SCR.

12 12 Eletrônica de Potência Corrente de disparo e tensão de disparo Um SCR como o da fig. 1.8 tem uma tensão de porta VG. Quando essa tensão de porta estiver próxima de 0,7V, o SCR irá ligar-se e a tensão de saída cairá de + VCC para um valor baixo. Quando um resistor de porta é usado como mostrado aqui, você pode calcular a tensão de entrada necessária para disparar um SCR usando esta equação: Vent = VT + I T R G (1.2) Nessa equação, VT e I T são a tensão de disparo e a corrente de disparo, respectivamente, necessárias para a porta do dispositivo. Você encontrará essas informações nas folhas de dados. Por exemplo, a folha de dados de um 2N4441 fornece VT = 0,75 V e I T = 10 ma. Quando você tem o valor de R G, o cálculo de Vent é simples. Algumas vezes não é usado o resistor de porta. Nesses casos, R G é a resistência Thevenin do circuito que aciona a porta. A menos que a equação 1.2 seja satisfeita, o SCR não pode ser ligado. Após o SCR ser ligado, ele permanece assim mesmo que você reduza Vent a zero. Nesse caso, a tensão de saída permanece indefinidamente baixa. O único modo de iniciar o SCR é reduzindo a sua corrente a um valor menor do que a corrente de manutenção. Uma forma de fazer isso é abrindo RC. Uma outra forma é reduzindo VCC a um valor baixo. Existem outros modos de desligar o SCR que serão discutidos mais tarde. Fig. 1.8 Circuito SCR. Protetor de carga com SCR (crowbar) Se alguma coisa acontecer internamente à fonte de alimentação provocando uma elevação na tensão de saída, o resultado pode ser devastador. Por quê? Porque algumas cargas como CIs caros não podem resistir a tensões de alimentação excessivas sem ser destruídos. Uma das mais importantes aplicações do SCR é proteger cargas delicadas e caras contra sobretensões da fonte de alimentação.

13 Tiristores 13 A fig. 1.9 mostra uma fonte de alimentação positiva VCC aplicada a uma carga protegida por um diodo Zener, um resistor e um SCR. Sob condições normais, VCC é menor que a tensão de ruptura do diodo Zener. Neste caso, não há tensão através de R, e o SCR permanece aberto. A carga recebe uma tensão de VCC e tudo anda bem. Agora, considere que a tensão da fonte de alimentação aumente por algum motivo qualquer. Quando VCC é muito grande, o diodo Zener conduz e aparece uma tensão através de R. Se essa tensão é maior do que a tensão de disparo do SCR (tipicamente 0,7V), o SCR liga e conduz intensamente. A operação é similar a colocar uma alavanca (curto-circuito) através dos terminais da carga. Como o SCR entra rapidamente em condução (1µs para um 2N4441), a carga é rapidamente protegida contra os efeitos de destruição de um alto valor de sobretensão. Embora seja uma forma drástica de proteção, esse processo de proteção é necessário para vários CIs digitais, pois eles não suportam um valor alto de sobretensão. Portanto, em vez de destruir CIs caros, podemos usar uma alavanca SCR para curto-circuitar os terminais da carga ao primeiro indício de sobretensão. As fontes de alimentação com uma alavanca SCR precisam de um fusível ou uma limitação de corrente para evitar uma corrente excessiva quando o SCR fecha. Fig. 1.9 SCR alavanca. A alavanca da fig. 1.9 é um projeto popular. Ela é adequada para várias aplicações, contanto que os componentes tenham baixas tolerâncias. Circuitos de alavanca mais avançados incluem transistores para melhorar a operação de fechamento do SCR. De fato, CIs especiais, tais como a série RCA SK9345, são CIs dedicados, alavancas prontas para uso. Essas alavancas em CIs contêm um diodo Zener, um par de transistores em um SCR. A propósito, não há um resistor de porta separado na fig. 1.9 como mostrado na fig Nesse caso, Vent e R G são interpretados como VTH e R TH, respectivamente, do circuito visto pela porta do SCR. Qual a resistência de Thevenin na fig. 1.9? olhando para trás a partir da porta você vê a resistência Zener em paralelo com R. Em um projeto típico, a resistência Thevenin é pequena. Isso significa que a tensão equivalente de entrada necessária para disparar o SCR é apenas ligeiramente maior do que 0,7V. Exemplo 1.4

14 14 Eletrônica de Potência O SCR da fig tem VT = 0,75 V, I T = 7mA e I H = 6mA. Qual a tensão de saída quando o SCR está desligado? Qual a tensão de entrada que dispara o SCR? Se o VCC for diminuída até que o SCR abra, qual o valor de VCC? Solução Quando o SCR não está conduzindo, não há corrente através do resistor de 100Ω e a tensão na saída é igual à tensão de alimentação: Vsaída = 15 V Como a tensão de disparo é de 0,75V e a corrente de disparo é de 7mA, a tensão de entrada necessária para o disparo é Vent = 0,75 V + (7 ma )(1kΩ) = 7,75 V Como a corrente de manutenção é de 6mA, a tensão através do resistor de 100Ω com um desligamento por baixa corrente é de V = (6mA )(100 Ω) = 0,6V como a aproximação ideal, isso implica que temos de diminuir VCC para um valor ligeiramente menor que 0,6V para desligar o SCR. Com a segunda aproximação, temos de diminuir VCC para um valor ligeiramente menor que VCC = 0,7 V + (6mA )(100 Ω) = 1,3V fig Exemplo.

15 Tiristores 15 Exemplo 1.5 Na fig. 1.11, o 2N4441 tem uma tensão de disparo de 0,75V. Calcule a tensão de alimentação que liga a alavanca. Ignore a resistência do Zener neste cálculo. Solução Idealmente, o 1N752 tem uma tensão de ruptura reversa de 5,6V. Para ligar o SCR, a tensão através do resistor de 68Ω tem de ser 0,75V. Portanto, a tensão de alimentação que liga o SCR é de VCC = 5,6V + 0,75 V = 6,35 V Quando a tensão de alimentação alcança esse nível, o SCR fecha como uma chave. Isso imediatamente força a tensão de alimentação a cair para zero. A tensão de alimentação cai por ter um fusível que queima ou por ter uma característica de limitação de corrente. Nos dois casos, a tensão de alimentação cai para zero ou para um valor muito baixo. O circuito é adequado se a aplicação não for muito crítica em relação à tensão de alimentação exata que o SCR deve ligar. Por exemplo, o 1N752 tem uma tolerância de ±10%, o que significa que a tensão de ruptura reversa pode variar de 5,04 a 6,16V. Além disso, a tensão de disparo de um 2N4441 tem um valor máximo de 1,5V, o que quer dizer que a maior sobretensão detectada pode ser tanto quanto 6,16 V +1,5V = 7,66 V Como posto, temos um circuito que não pode atuar como alavanca até que a tensão alcance 7,66V. Se a aplicação pode resistir a esse alto valor de tensão, então o circuito é útil. Muitos CIs digitais precisam de uma tensão de alimentação de +5V, com um valor máximo absoluto de +7V. Acima de +7V, eles são danificados. Portanto, um circuito como o da fig não satisfaz o tipo de proteção necessária aos CIs digitais. Contudo, ele é adequado em situações menos dramáticas, e você o vê de vez em quando. Fig Exemplo.

16 16 Eletrônica de Potência Exemplo 1.6 Repita o exemplo 1.5 com VT = 0,75 V, IT = 30 ma e uma resistência Zener de 11Ω. Solução Primeiro, consulte a fig Perceba que Vent e R G são o circuito Thevenin equivalente acionando o 2N4441 mostrado na fig Com isso em mente, podemos proceder assim: o 1N752 tem uma resistência Zener de 11Ω, Portanto, a resistência Thevenin vista pela porta do 2N4441 é R TH = 11Ω 68 Ω = 9,47 Ω A corrente de disparo do SCR tem de passar através da resistência Thevenin e produzir uma tensão de V = (30 ma )( 9,47 Ω) = 0,284 V Essa tensão tem de ser acrescentada à tensão de disparo na porta do SCR para obter a tensão Thevenin: VTH = 0,75 V + 0,284 V = 1,03V A tensão de alimentação que liga a alavanca é de 5,6V acima dessa ou VCC = 1,03V + 5,6V = 6,63V 1.3 AS VARIAÇÕES DE SCR Existem outros dispositivos pnpn cujo funcionamento é similar ao do SCR. O que se segue é uma breve descrição dessas variações. Os dispositivos discutidos são para aplicações de baixa potência. Foto-SCR A fig. 1.12a mostra um foto-scr, também conhecido por SCR ativado pela luz (LASCR Light-activated SCR). As setas representam a luz que entra, passa por uma janela e atinge as camadas de depleção. Quando a luz é suficientemente intensa, os elétrons de valência são desalojados de suas órbitas e se tornam elétrons livres. Quando esses elétrons livres fluem do coletor de um transistor para a base do outro, a realimentação positiva inicia-se e o foto-scr fecha-se. Após o disparo pela luz ter fechado o SCR, ele permanece fechado, mesmo que a luz não seja mais aplicada. Para uma sensibilidade máxima à luz, deixa-se a porta aberta, como mostrado na fig. 1.2a. Se você quiser um ponto de sensibilidade

17 Tiristores 17 ajustável, pode incluir o ajuste de disparo mostrado na fig. 1.5b. O resistor da porta desvia alguns dos elétrons produzidos pela luz e muda a sensibilidade do circuito com relação à luz que entra. Fig Foto-SCR. Chave controlada pela porta Como mencionado antes, o desligamento por baixa corrente é a forma normal de abrir um SCR. Mas a chave controlada pela porta (GCS Gate Controlled Switch) é projetada para uma abertura mais fácil com um disparo com polarização reversa. Um GCS é fechado por meio de um disparo positivo e aberto por meio de um disparo negativo (ou de um desligamento por baixa corrente). A fig mostra um circuito GCS. Cada disparo positivo fecha o GCS, e cada disparo negativo abre. Por isso, obtemos a onda quadrada de saída mostrada na figura. O GCS é usado em contadores, circuitos digitais e outras aplicações nas quais esteja disponível um disparo negativo para desligá-lo. Fig Circuito GCS. Chave controlada de silício A fig.1.14a mostra as regiões dopadas de uma chave controlada de silício (SCS Silicon Controlled Switch). Agora, um terminal externo está conectado a cada

18 18 Eletrônica de Potência região dopada. Imagine o dispositivo separado em duas metades (fig. 1.14b). Portanto, ele é equivalente a uma trava com acesso às duas bases (fig.1.14c). Um disparo com polarização direta em cada base fecha a SCS. Da mesma forma, um disparo com polarização reversa em cada base abrirá o dispositivo. A fig. 1.14d mostra o símbolo esquemático para uma SCS. A porta inferior é chamada porta do catodo e a superior é a porta do anodo. A SCS é um dispositivo de baixa potência se comparada com o SCR. Ela trabalha com correntes de miliampéres em vez de ampéres. Fig Chave controlada de silício. Exemplo 1.7 O circuito da fig. 1.15a está numa sala escura quando a fonte é ligada pela primeira vez. Qual a tensão de saída? Se for aplicada uma luz, qual a tensão de saída? Solução O foto-scr está no estado de não-condução. Portanto, a tensão de saída é igual à tensão de alimentação: Vsaída = +25V Quando a luz for aplicada, o foto-scr conduz e sua tensão de saída é idealmente Vsaída = 0 Para uma segunda aproximação, Vsaída = 0,7 V

19 Tiristores 19 fig Exemplo. Exemplo 1.8 A tensão de disparo é de 0,7V no circuito da fig. 1.15b. Qual a corrente da porta? Se a corrente de disparo é de 5mA, qual a corrente aproximada através do resistor de 68Ω? Solução Na segunda aproximação, usamos 0,7V para a tensão da porta. Isso significa que a tensão através do resistor de 820Ω é V = 9V 0,7 V = 8,3V E a corrente através do resistor de 820Ω é I= 8,3V =10,1mA 820 Ω Essa é a corrente de porta. Como a corrente da porta é maior do que a corrente de disparo, a SCS está em condução. Idealmente, a SCS tem tensão zero através dos seus terminais. Isso significa que a corrente através do resistor de 68Ω é de I= 25 V = 368 ma 68 Ω Você pode usar a segunda aproximação se preferir, porém ela melhora pouco a precisão: I= 25 V 0,7 V = 357 ma 68 Ω

20 Eletrônica de Potência TIRISTORES BIDIRECIONAIS Até agora, todos os dispositivos foram unidirecionais. A corrente fluía num sentido só. Esta seção discute os tiristores bidirecionais dispositivos nos quais a corrente pode circular em qualquer sentido. Diac O diac pode ter corrente de travamento em qualquer das duas direções. O circuito equivalente de um diac é um par de diodos de quatro camadas em paralelo, como mostrado na fig. 1.16a, idealmente o mesmo circuito das travas na fig. 1.16b. O diac não conduz até qual tensão através dele tente exceder a tensão de avalanche direta em qualquer sentido. Fig.1.16 Diac Por exemplo, se v tem a polaridade indicada na fig. 1.16a, o diodo da esquerda conduz quando v tenta exceder a tensão de avalanche direta. Nesse caso, a trava da esquerda fecha-se, como mostrado na fig. 1.16c. Contudo, se a polaridade de v é oposta àquela da fig. 1.16a, como resultado, a trava da direita fecharia quando v tentasse exceder a tensão da avalanche direta. Uma vez que o diac está conduzindo, a única forma de abri-lo é por meio de um desligamento por baixa corrente. Isso significa que você tem de reduzir a corrente abaixo da corrente de manutenção especificada no dispositivo. A fig. 1.16d mostra o símbolo esquemático. Triac O triac funciona como dois SCRs em paralelo (fig. 1.17a), equivalente às duas travas da fig. 1.17b. Por isso, o triac pode controlar a corrente em qualquer sentido. A tensão de avalanche direta é geralmente alta, de maneira que a forma normal de ligar um triac é aplicando-se um disparo com polarização direta. As folhas de dados fornecem a tensão de disparo e a corrente de disparo necessárias para ligar um triac. Se v tem a polarização mostrada na fig. 1.17a, temos de aplicar um disparo positivo que fechará a trava da esquerda. Quando v tem a polaridade oposta, é

21 Tiristores 21 necessário um disparo positivo; isso fechará a trava da direita. A fig. 1.17c mostra o símbolo para fechar esquemático de um triac. Fig Triac A fig. 1.18a mostra um circuito triac que pode ser usado para controlar a corrente através de uma carga pesada. Nesse circuito, a resistência R 1 e a capacitância C deslocam o ângulo de fase do sinal na porta. Devido a esse deslocamento de fase, a tensão na porta atrasa a tensão da rede por um ângulo entre 0 e 90º. Você pode ver essas idéias na fig. 1.18b e c. A tensão da rede tem um ângulo de fase de 0º, enquanto a tensão do capacitor atrasa a tensão da rede. Quando a tensão no capacitor é grande o suficiente para alimentar a corrente de disparo, o triac conduz. Uma vez ligado, o triac continua conduzindo até que a tensão da rede retorne a zero. Fig Circuito triac e formas de onda. A parte sombreada de cada semiciclo mostra quando o triac está conduzindo. Como R 1 é variável, o ângulo de fase da tensão do capacitor pode ser alterado. Isso nos permite controlar a parte sombreada da tensão da rede. Em outras

22 22 Eletrônica de Potência palavras, podemos controlar a corrente média. Um controle como esse é usado no aquecimento, na iluminação industrial e em outras aplicações de alta potência. Exemplo 1.9 Na fig. 1.19, a chave está fechada. Se o triac é disparado, qual a corrente aproximada através do resistor de 22Ω? Solução Idealmente o triac tem, quando em condução, 0V através dos seus terminais. Portanto, a corrente através do resistor de 22Ω é I= 75 V = 3,41A 22 Ω Mesmo que o triac tenha 1 ou 2V através dele, a corrente pelo resistor de 22Ω ainda está muito próxima de 3,41A por causa da tensão de alimentação alta (75V). Exemplo 1.10 Na fig.1.19, a chave está fechada. O MPT32 é um diac com uma tensão de avalanche direta de 32V. Se o triac tem uma tensão de disparo de 1V e uma corrente de disparo de 10mA, qual a tensão no capacitor que dispara o triac? Solução Enquanto o capacitor se carrega, a tensão através do diac aumenta. Quando a tensão no diac é ligeiramente menor que 32V, o diac está próximo da avalanche direta. Como o triac tem uma tensão de disparo de 1V, a tensão no capacitor é ligeiramente menor que 33V. Quando o capacitor se torna ligeiramente maior que 33V, o diac atinge a avalanche direta e dispara o triac. Expresso na forma de uma equação, Vent = 32 V + 1V = 33V Essa é a mínima tensão no capacitor que disparará o triac. Fig.1.19 Exemplo

23 Tiristores O TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO O transistor de unijunção (UJT Unijunction Transistor) tem duas regiões dopadas com três terminais externos (fig. 1.20a). Ele tem um emissor e duas bases. O emissor é fortemente dopado. Por essa razão, a resistência entre as bases é relativamente alta, tipicamente de 5 a 10kΩ quando o emissor está aberto. Chamamos essa resistência de resistência interbase, simbolizada por R BB. Razão intrínseca de afastamento A fig. 1.20b mostra o circuito equivalente de um UJT. O diodo emissor aciona a junção das duas resistências internas, R 1 e R 2. Quando a tensão de alimentação está entre as duas bases, como mostrado na fig. 1.20c, a tensão através de R 1 é dada por V1 = R1 R ( V ) = 1 (V ) R1 + R 2 R BB ou V1 = ηv (1.3) onde η= R1 R BB (A letra grega η é pronunciada como eta.) A grandeza η é chamada razão intrínseca de afastamento, que nada mais é do que o fator do divisor de tensão. A faixa típica de variação é de 0,5 a 0,8. Por exemplo, um 2N2646 tem um η de 0,65. Se esse UJT for usado na fig. 1.20c com uma tensão de alimentação de 10V, então V1 = ηv = 0,65(10 V ) = 6,5V fig UJT: (a) estrutura; (b) circuito equivalente; (c) tensão de afastamento. Na fig. 1.20c, V1 é chamada tensão intrínseca de afastamento porque ela mantém o diodo emissor com polarização reversa para todas as tensões de emissor menores que V1. Se V1 for igual a 6,5V, então idealmente temos de aplicar um pouco mais que 6,5V para que a tensão no emissor ligue o diodo emissor.

24 24 Eletrônica de Potência Como funciona o UJT Na fig. 1.21a imagine que a tensão de alimentação do emissor seja colocada em zero. Então, a tensão intrínseca de afastamento polariza reversamente o diodo emissor. Quando aumentamos a tensão de alimentação do emissor. Como a região p é fortemente dopada se comparada com a região n, as lacunas são injetadas na metade inferior do UJT. A dopagem leve da região n proporciona a essas lacunas uma vida longa. Essas lacunas criam um trajeto condutor entre o emissor e a base inferior. Fig (a) Circuito do UJT; (b) R1 se aproxima de zero depois do diodo emissor estar ligado. A invasão da metade inferior do UJT por lacunas abaixa consideravelmente a resistência R1 (fig. 1.21b). Como R1 está repentinamente com um valor bem mais baixo, v e cai rapidamente para um valor baixo e a corrente do emissor aumenta. Circuito equivalente de travamento Uma forma de você lembrar de como o UJT da fig. 1.22a funciona é relacionando-a à trava da fig. 1.22b. Com uma tensão positiva de B 2 para B1, uma tensão de afastamento V1 aparece através de R 1. Isso mantém o diodo emissor de Q 2 reversamente polarizado enquanto a tensão de entrada do emissor for menor que a tensão de afastamento. Entretanto, quando a tensão de entrada do emissor for ligeiramente maior que a tensão de afastamento, Q 2 liga-se a realimentação positiva acontece. Isso leva os dois transistores à saturação, colocando idealmente em curto o emissor e a base inferior. A fig. 1.22c é o símbolo esquemático de um UJT. A seta do emissor lembra-nos do emissor superior numa trava. Quando a tensão no emissor excede à tensão de afastamento, a trava entre o emissor e a base inferior fecha. Idealmente, você pode imaginar um curto entre E e B1. Numa segunda aproximação, uma baixa tensão, chamada tensão de saturação do emissor VE (sat ), aparece entre E e B1.

25 Tiristores 25 Fig UJT: (a) estrutura; (b) circuito equivalente de travamento; (c) símbolo esquemático. A trava permanece fechada enquanto a corrente de travamento (corrente emissor) for maior do que a corrente de manutenção. As folhas de dados especificam uma corrente de vale I v que é equivalente à corrente de manutenção. Por exemplo, um 2N2646 tem um I v de 6mA; para manter a chave fechada, a corrente do emissor tem de ser maior que 6mA. Exemplo 1.11 O 2N4871 da fig tem um η de 0,85. Qual a corrente do emissor? Solução A tensão de afastamento é V1 = 0,85 (10 V) = 8,5V Idealmente, v e tem de ser ligeiramente maior que 8,5V para ligar o diodo emissor e fechar a trava. Com a chave de entrada fechada, 20V alimentam o resistor de 400Ω. Essa tensão é mais do que suficiente para superar a tensão de afastamento. Portanto, a trava é fechada e a corrente do emissor é igual a IE = 20 V = 50 ma 400 Ω Exemplo 1.12 A corrente de um 2N4871 é de 7mA e a tensão do emissor nesse ponto é de 1V. para que o valor de tensão de alimentação do emissor o UJT da fig se abre? Solução

26 26 Eletrônica de Potência À medida que reduzimos a tensão de alimentação do emissor, a corrente do emissor diminui. No ponto em que ela for igual a 7mA, v e é de 1V e a trava está prestes a se abrir. A tensão de alimentação do emissor nesse instante é V = 1V + (7 ma )( 400 Ω) = 3,8V Quando V for menor que 3,8V, o UJT se abre. Então, é necessário elevar V acima de 8,5V para fechar o UJT. Fig Exemplo 1.7 OUTRAS APLICAÇÕES PARA O TIRISTOR Anteriormente, discutimos os diferentes tipos de tiristores, incluindo os diodos de quatro camadas, SCRs, diacs, triacs etc. O tiristor é um dispositivo de controle tão extraordinário que pode ser usado de todas as formas. Os tiristores têmse tornado gradativamente mais populares no controle de potência ca em cargas resistiva e indutiva, tais como motores, solenóides e elementos aquecedores. Comparando com dispositivos competitivos como relés, os tiristores oferecem um custo mais baixo e maior confiabilidade. Esta seção discute algumas aplicações de tiristores para lhe dar uma idéia da variedade de formas com que eles podem ser usados. Detector de sobretensão A fig mostra um circuito conhecido como detector de sobretensão. Aqui está como ele funciona: o diodo de quatro camadas tem uma tensão de avalanche direta de 10V. Enquanto a fonte de alimentação fornece 9V na saída, o diodo de quatro camadas está aberto e a lâmpada, apagada. Porém, se alguma coisa de errado acontecer com a fonte de alimentação e a sua tensão de saída subir para mais de 10V, então o diodo de quatro camadas atingirá a avalanche direta e a lâmpada irá acender-se. Mesmo que a tensão de alimentação retorne para 9V, o diodo permanece travado como uma indicação permanente de sobretensão que ocorreu. A única forma de apagar a lâmpada é desligando a fonte de alimentação.

27 Tiristores 27 Fig Detector de sobretensão. Gerador de onda dente de serra A fig. 1.25a mostra um gerador de onda dente de serra. Se o diodo de quatro camadas não estivesse no circuito, o capacitor iria carregar-se exponencialmente e sua tensão seguiria a curva tracejada da fig. 1.25b. Mas o diodo de quatro camadas está no circuito. Portanto, logo que a tensão no capacitor chega a 10V, o diodo atingirá a avalanche direta e a trava irá fechar-se. Isso descarrega o capacitor, produzindo o retorno (diminuição súbita flyback) da tensão no capacitor. Em algum ponto do retorno da tensão, a corrente cai abaixo da corrente de manutenção e o diodo de quatro camadas abre-se. Então, começa o próximo ciclo. A fig. 1.25a é um exemplo de um oscilador de relaxação, um circuito cuja saída depende da carga e descarga de um capacitor (ou indutor). Se aumentarmos a constante de tempo RC, o capacitor gastará mais tempo para carregar-se até 10V e a frequência da onda dente de serra será menor. Por exemplo, com o potenciômetro da fig. 1.25c, podemos obter uma variação de 50:1 na frequência. Fig Gerador de onda dente de serra. SCR alavanca Como a curva do diodo Zener tem um joelho suave em vez de um joelho abrupto, o circuito básico do SCR alavanca discutido antes tem uma ativação suave. Esse circuito alavanca pode ser melhorado acrescentando-se algum ganho de tensão, como mostrado na fig O transistor proporciona o ganho de tensão que produz uma ativação mais abrupta. Quando a tensão através de R 4 excede a aproximadamente 0,7V, o SCR liga-se. Um diodo comum é incluído para

28 28 Eletrônica de Potência compensação de temperatura do diodo base-emissor do transistor. O ajuste de disparo permite-nos posicionar o ponto de atuação do circuito, tipicamente em torno de 10 a 15% acima da tensão normal. Fig SCR alavanca A fig mostra uma solução ainda melhor. O bloco triangular é um CI chamado comparador. Esse CI produz um ganho de tensão muito grande, tipicamente ou mais. A entrada desse CI está entre os terminais de entrada positiva e negativa. Devido ao seu ganho de tensão, o CI pode detectar ligeiras sobretensões. O diodo Zener fornece 10V, que vai para a entrada negativa do comparador. O ajuste de disparo fornece uma tensão ligeiramente menor que 10 para a entrada positiva. Como resultado, a tensão de entrada do comparador é negativa. A saída do comparador também é negativa e não pode disparar o SCR. Se a tensão de alimentação tentar aumentar acima de 20V, a entrada positiva do comparador tornase maior que 10V. Como a tensão de entrada é positiva, a saída do comparador tornase maior que 10V. Como a tensão de entrada é positiva, a saída do comparador é positiva e leva o SCR à condução. Isso curto-circuita rapidamente a fonte de alimentação por meio do protetor nos terminais da carga. Fig Um outro SCR alavanca. A solução mais simples quando você precisa de uma proteção é usar um CI protetor, como mostrado na fig Um CI de proteção é um circuito integrado com um Zener para detecção, transistores para um ganho de tensão e um SCR como curtocircuito. A série popular RCA SK9345 protege fontes de alimentação de +5V, o SK9346 protege +12V e o SK9347 protege +15V. Por exemplo, se um SK9345 for usado na fig.1.28, ele protegerá a carga para uma tensão de alimentação de +5V. A

29 Tiristores 29 folha de dados de um SK9345 indica que ele dispara a 6,6V com uma tolerância de +0,2V. Fig CI de proteção. Oscilador de relaxação com UJT A fig. 1.29a mostra um oscilador de relaxação com UJT. O funcionamento é similar àquele do oscilador de relaxação com diodo de quatro camadas. O capacitor carrega-se na direção de VCC, porém, logo que a sua tensão excede à tensão de afastamento, o UJT fecha-se. Isso descarrega o capacitor até que ocorra o desligamento por baixa corrente. Logo que o UJT abre, o próximo ciclo começa. Como resultado, obtemos uma saída de onda dente de serra. Fig Circuitos com UJT: (a) gerador de onda dente de serra; (b) onda dente de serra e saída de disparo. Se acrescentarmos um pequeno resistor em cada circuito de base, podemos obter três saídas úteis: ondas dente de serra, disparos positivos e disparos negativos, como mostrado na fig. 1.29b. Os disparos aprecem durante o tempo de retorno da onda dente de serra, porque o UJT conduz intensamente nesse momento. Com os valores da fig. 1.29b, a frequência pode ser ajustada entre 50Hz e 1kHz (aproximadamente).

30 30 Eletrônica de Potência Ignição de automóvel Os pulsos estreitos de disparo que saem do oscilador de relaxação com UJT podem ser usados para disparar um SCR. Por exemplo, a fig mostra parte de um sistema de ignição de automóvel. Com os pontos do distribuidor abertos, o capacitor carrega-se exponencialmente na direção de +12V. Logo que a tensão no capacitor excede a tensão intrínseca de afastamento, o UJT conduz intensamente através do enrolamento primário. Então, a tensão do secundário dispara o SCR. Quando a trava do SCR fecha-se, o terminal positivo do capacitor de saída é subitamente aterrado. À medida que o capacitor de saída se descarrega através da bobina de ignição, um pulso de alta tensão alimenta um dos plugues de centelha. Quando os pontos se fecham, o circuito se auto-reinicializa, preparando-se para o ciclo seguinte. Fig O UJT dispara o SCR para produzir a centelha para ignição do automóvel. Controle com acoplador ótico ou optoacoplador A fig é um exemplo de um controle com optoacoplador. Quando um pulso de entrada liga o LED ( D 4 ), a sua luz ativa o foto-scr ( D 4 ). Por sua vez, isso produz uma tensão de disparo para o SCR principal ( D 2 ). Dessa forma, obtemos o controle isolado dos semiciclos positivos da tensão da rede. É necessário um diodo comum para proteger o SCR de contragolpes indutivos e de transientes que podem ocorrer durante o semiciclo reverso. Fig.1.31 Controle de SCR com optoacoplador.

31 Tiristores 31 SCR disparado por Diac Na fig. 1.32, a saída de onda completa aciona um SCR que é controlado por um diac e um circuito de carga RC. Ajustando R 1, podemos variar a constante de tempo e controlar o ponto no qual o diac dispara. Circuitos como esse podem controlar facilmente várias centenas de watts de potência de uma lâmpada, um aquecedor ou outra carga. Um diodo de quatro camadas poderia ser usado em vez do diac. Fig Controlando o ângulo de condução de um SCR. A fig mostra uma forma de controlar um SCR, desta vez com um oscilador de relaxação com UJT. A carga pode ser um motor, uma lâmpada, um aquecedor ou qualquer outro dispositivo. Variando R 1, podemos variar a constante de tempo RC alterar o ponto no qual o UJT dispara. Isso nos permite controlar o ângulo de condução do SCR, o que significa que estamos controlando a corrente de carga. Um circuito como esse representa o controle de meia onda, porque o SCR está desligado durante o semiciclo negativo. Fig O oscilador de relaxação com UJT controla o ângulo de condução do SCR. Controle em onda completa O diac da fig pode disparar o triac em cada semiciclo da tensão da rede. A resistência variável R 1 controla a constante de tempo RC do circuito de controle do diac. Como esse circuito muda o ponto do ciclo no qual o diac dispara, temos o controle sobre o ângulo de condução do triac. Dessa forma, podemos variar a grande corrente de carga.

32 32 Eletrônica de Potência Fig Controlando o ângulo de condução de um triac. SCR controlado por um microprocessador Em sistemas de robótica, um microprocessador controla motores e outras cargas. A fig é um exemplo simples de como isso é feito. Um pulso retangular de um microprocessador aciona um seguidor de emissor, cuja saída controla a porta de um SCR. Enquanto o pulso retangular de controle for alto, o SCR conduz durante os semiciclos positivos e corta durante os semiciclos negativos. A duração do pulso retangular do microprocessador determina o número de semiciclos positivos durante os quais a carga recebe alimentação. Fig O microprocessador controla o intervalo de tempo em que a alimentação é aplicada à carga.