Eletronica Industrial 1

Tiristores - Prof Rômulo Nome: CPF: RG:

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CAPITULO 1 - TIRISTORES São todos os dispositivos de 4 camadas tais como o diodo unilateral de 4 camadas, o SCR, o TRIAC, DIAC,PUT e outros. Neste capítulo, apesar de não ser considerado da mesma família estudaremos o UJT que é usado principalmente para disparar um tiristor. 1. – TRANSISTOR UNIJUNÇÃO (UJT) É um dispositivo semicondutor com três terminais e uma junção, Fig1.1.

Fig1.1: Transistor unijunção

O emissor é de material tipo P. Entre os terminaresistência ôhmica chamada resistência interbases ( R5K e 10K. Entre B2 e a junção existe uma resistênresistência Rb1. A soma dessas duas resistências é equivalente e a polarização do UJT estão indicados na F

VE

VEVBB

( a ) Fig1.2Polarização e circuito equivalente do

Símbolo

is B2 e B1 o dispositivo apresenta uma BB) cujo valor está compreendido entre cia Rb2 e entre a junção e B1 uma igual a RBB = Rb1 + Rb2. O circuito ig1.2.

D

VBB

Rb2

Rb1

0,7V

+ +

+

VRb1

IE

( b )

UJT


2

Na Fig1.b enquanto VE < 0,7 + VRb1 o UJT estará cortado, pois o diodo está reversamente polarizado.

VRb1 = 21

1.

bb

BBb

RRVR+

= η.VBB onde η = 21

1

bb

b

RRR+

é outro parâmetro do UJT

chamado de razão intrínseca de disparo. Tipicamente o valor de η (eta) está compreendido entre 0,5 e 0,8. Quando VE = 0,7 + η. VBB = VP = tensão no ponto de pico, o diodo fica polarizado diretamente e o UJT dispara. O termo disparo é usado por analogia ao disparo de uma arma, significando uma mudança brusca de condição. A explicação física para o disparo é dada pela realimentação positiva interna. Após Ter disparado o UJT só voltará a cortar novamente quando a tensão de emissor cair abaixo de um valor crítico chamado tensão de vale, VV. Abaixo da tensão de vale a junção volta a ficar polarizada reversamente novamente. A Fig1. mostra a curva característica de um UJT, indicando os principais pontos. VE VP VV IE IV

Fig1: Curva característica de entrada

Uma das principais aplicações do UJT é como oscilador de relaxação. Na Fig1.4 quando a alimentação é ligada a primeira vez, o capacitor se encontra descarregado, logo VC = VE = 0, portanto o UJT estará cortado ( IE = 0). Nessas condições o capacitor começa a se carregar através de R, tendendo a tensão nele para +VCC com constante de tempo τ = R.C. Quando VC = VP = o UJT dispara, fazendo o capacitor se descarregar através do UJT e da resistência RB1. Quando VC cair abaixo de VV o UJT corta e C volta a se carregar , e ciclo se repete.


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R

C

+Vcc

RB2

RB1

Fig1.4: Oscilador de relaxação – Circuito e formas de onda


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O período das oscilações é calculado por : T = R.C. lnη−1

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1.1. - GERADOR DENTE DE SERRA Da teoria de circuito sabemos que se um capacitor se carrega através de uma corrente constante I, a tensão em C varia linearmente com o tempo de acordo com a expressão

VC = CI .t.

Quanto maior o valor da corrente (fixado C), mais rapidamente se carregará o capacitor. Por outro lado se aumentarmos o valor de C levará mais tempo para carregar C. A inclinação da reta na Fig1.5b depende da relação entre a corrente que carrega o capacitor e o valor do mesmo. ( a ) ( b )

VC = CI .t

IIVcC

VC

t

Fig1.5: Carga de capacitor por corrente constante

O circuito é basicamente o mesmo da Fig1.4a, a diferença é que a corrente que carrega o capacitor nesse caso é constante, sendo igual à corrente de coletor (IC).


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R1

R2

R

CRB1

+Vcc

C RB1

+Vcc

I

Fig1.6: Gerador dente de serra

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

T VC

VP

VV

Fig1.7: Dente de serra


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O periodo das oscilações é dado por : T = I

CVV VP ).( − onde I = R

U )7,0( 1 − e U1 = 21

1.RRVR CC

+

EXERCICIOS PROPOSTOS 1. Para o circuito pede-se : a) Desenhar os gráficos de VC(t) e VRB1(t) b) frequência de oscilação η = 0,67 VV = 3V

+12V

15K

0,47uF33

2. Com relação ao circuito pede-se : Valor da razão intrinseca de disparo b) Valor de R c) Frequencia de oscilação


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

3v

9,1v

VC +12V

0,1uF

R

33

3K

12K

1K

10nF

+15V

47

4. Para o circuito calcular o periodo, a frequência de oscilação e desenhar o gráfico de VC(t).


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2 – DIODO DE QUATRO CAMADAS UNILATERAL Ë um diodo construido com quatro camadas PN alternadas A(Anodo) IA A(Anodo) P N UBK IA

IA P N K(Catodo) K(Catodo)

IH U

UH UBO

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


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

AG

K UA

K(Catodo)

Fig1.9: Retificador controlado de Si. O SCR tem tres regiões de operação, consideradas a seguir, com IG = 0 : Bloqueio reverso : O anodo é negativo em relação ao catodo, nessas condições o SCr se comporta exatamente como um diodo comum. Se a tensão reversa aumentar além da da tensão de breakdown(UBK) ), o SCR será destruido pelo efeito avalanche.

E

R

IG=0

IA=0

+

Fig1.10: SCR Bloqueio reverso Bloqueio Direto: O anodo é positivo em relação ao catodo, mas a tensão não é suficiente para disparar o SCR. Para disparar o SCR com o gate aberto (IG = 0 ) é necessário que a tensão de anodo atinja um valor chamado de tensão de breakover( UBO ). Se UA for menor do que UBO o SCR continuará cortado.


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R

IG=0

IA=0E<UBO+

Fig1.11: SCR - Bloqueio direto Condução ( Disparo): Quando a tensão de anodo atingir o valor UBO , o SCR dispara, isto é, a corrente de anodo passa bruscamente de zero para um valor determinado pela resistência em série com o SCR. A tensão no SCR cai para um valor baixo ( 0,5V a 2V ). R

IG=0 E>UBOIA=(E-UA)/R

+

Fig1.12:SCR – Condução Após disparar, o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. A tensão de anodo cai para um valor baixo ( 0,5V a 1,5V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão( corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão ( corrente) de manutenção, UH ( IH ) cujo valor depende do tipo de SCR( Por exemplo o TIC106 tem IH ≅ 0,5mA enquanto o TIC116 tem IH ≅ 15mA. Se for injetado uma corrente de gate, será possivel disparar o SCR com tensões de anodo bem menores do que UBO. Quanto maior a corrente de gate, menor a tensão de anodo que disparará o SCR. Após o disparo o gate perde o controle o sobre o SCR, isto é, após o disparo o gate pode ser aberto ou curto circuitado ao catodo que o SCR continua conduzindo. O SCR só volta ao corte quando a corrente de anodo cair abaixo da corrente de manutenção. A tensão máxima que pode ser aplicada entre anodo e catodo no sentido direto com IG = 0 como vimos é chamada de UBO, mas muitas vezes é designada de VDRM esta informação muitas vezes vem codificada no corpo do SCR, por exempo :


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TIC 106 Y - 30V MCR 106-1 - 30V TIC 106 F - 50V MCR 106-2 - 60V TIC 106 A - 100V MCR 106-3 - 100V TIC 106 B - 200V MCR 106 –4 – 200V TIC 106 C - 300V MCR 106 – 5 - 300V TIC 106 D – 400V MCR 106 – 6 - 400V Outra informação importante é a máxima tensão reversa que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown, é designada por VRRM, tipicamente é da mesma ordem de VDRM. Os valores de corrente também devem ser conhecidos , IT, é a máxima corrente que o SCR pode manipular e pode ser especificada em termos de valor continuo ou eficaz(RMS) e depende da temperatura e do ângulo de condução (θF). Por exempo, o TIC 106 pode conduzir uma corrente continua de até 5A. A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de µA no caso do TIC 106. 3.2 - CIRCUITOS COM SCR EM CC. Em CC deve ser previsto circuito de reset após o SCR disoparar. 1) ALARME1 As chaves CH1,CH2 e CH3 pode ser relés Reed switch que ao serem acionadas abrem disparando o SCR que liga o relé, que aciona um alarme. Para desativar o alarme a chave de reset deve ser acionada. +12V 2K2

CH1

CH2

CH3

Reset

Relé


12

2) ALARME2 +12V

Relé 100K

33K

LDR

Reset

Funcionamento: Enquanto o LDR estiver iluminado, como as sua resistência é baixa, a tensão no LDR será baixa e o SCR estará cortado. Se o feixe de luz for cortado , aumenta a resistência do LDR e em conseqüência a tensão de gate disparando O SCR e acionando o alarme 3) BIESTAVEL

CH1 CH2

+Vcc

RL1

R1

R2

R1

R2

RL2

SCR1 SCR2

C


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Funcionamento: Inicialmente com as duas chaves abertas, os dois SCR's estão cortados. Se CH1 for pressionada, dispara SCR1 conectando RL1 e C se carrega por RL2 e SCR1 de forma que o seu terminal esquerdo fica negativo e o terminal direito positivo. Se a chave CH2 for pressionada, dispara o SCR2 e fazendo a tensão em C ser aplicada no SCR1 carrega com polaridade contraria, e reversamente cortando-o. desligando a carga RL1 e ligando RL2.Agora C se portanto se CH1 for pressionada a carga RL1 será ligada e a carga RL2 desligada. 3.3 - SCR EM CORRENTE ALTERNADA 3.3.1 – DISPARO POR CC COM CARGA CA Como foi visto anteriormente, quando o disparo é em CC com carga CC , é necessário circuito de reset para cortar o SCR, ao mesmo tempo não é necessário manter corrente no gate. Quando o disparo é por corrente contínua (CC) mas a carga é CA, para manter o SCR conduzindo é necessário manter sinal no gate , pois se o sinal de gate for retirado, o SCR cortará quando a tensão de anodo passar por zero. A Fig1.13a mostra um circuito com disparo CC e carga CA e a Fig1.13b a forma de onda na carga quando a chave CH é fechada num instante t1 e aberta em t2.


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( a )

( a ) ( b )

( t2 ) ( t1 )

CH

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

No circuito da Fig1.13 observar que , ao fechar a chave o SCR só disparará se a tensão de anodo for positiva. A partir desse instante toda a tensão da rede cairá sobre a carga e a tensão no SCR será de aproximadamente 1V. Se a carga for resistiva podem ocorrer picos de corrente excessivamente altos os quais podem destruir o SCR e/ou a carga. Para evitar isso é que existem circuitos que só disparam o SCR quando a tensão da rede for próxima de zero, chamados de ZVS ( Zero Voltage Switch ). 3.3.2 – DISPARO POR CA COM CARGA CA No disparo por CA a alimentação de anodo e de gate é obtida da mesma fonte senoidal. O controle de disparo é feito controlando-se o instante ( ou o angulo de disparo ) em que o SCR é gatilhado no semi-ciclo positivo. Para melhor compreensão vamos supor que o SCR da Fig1.14 entra em condução no instante que a tensão de entrada estiver passando por um angulo de fase θF, chamado de ângulo de disparo. A condução começa nesse ponto e termina quando a tensão de anodo cair abaixo da tensão de manutenção, UH, que consideraremos desprezível face à tensão de pico da rede, VM.A Fig1.15 mostra as principais formas de onda referentes à Fig1.14.


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VSCR

VL

Circuito de Disparo

Fig1.14: SCR – Disparo por CA

VRMS

VDC

Fig1.15: SCR – Disparo por CA formas de onda


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Através do cálculo diferencial e integral pode-se demonstrar que a tensão média ( contínua ) na carga é calculada por :

VDC = π

θ.2

)cos1.( FMV + = tensão média ( contínua ) na carga

Obs: A tensão média é a tensão que será medida por um voltímetro CC.

Por exemplo se θF = 0º resulta VDC = πMV e a forma de onda corresponde à forma de

onda de um retificador meia onda com diodo comum. Se θF = 180º resulta VDC = 0, isto é , não existe tensão na carga. Por cálculo integral também se obtém a expressão que dá a tem eficaz ( VEF ou VRMS) na carga:

VRMS = 2MV . )

2.2sen.(1 F

Fθ

θππ

+− = tensão eficaz na carga

Por exemplo se θF = 0º VRMS = 2MV que é igual ao mesmo valor da tensão do retificador de

meia onda. Se θF = 180º VRMS = 0 Obs: A tensão eficaz está relacionada à potência dissipada na carga EXERCICIO RESOLVIDO Considere que no circuito da Fig14 0 angulo de disparo é 60º e que RL = 100Ω. Calcular : a) Tensão e corrente contínua na carga b) Potência dissipada na carga. Dados : ve = 110. 2 .senwt(V) Solução: a) θF = 60º, cos60º = 0,5 VM =110. 2 (V)

VDC = π

θ.2

)cos1.( FMV + = = π.2

)60cos1.(2.110 + = 37V logo IDC = 37V/100Ω =0,37A

b) VRMS = 2MV . )

2.2sen.(1 F

Fθ

θππ

+− = 2

2.110 . )2

60.2sen3

.(1+−

ππ

π=75V

PD = L

RMS

RV 2

= 100752

= 56,25W

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