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TIRISTORES
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INTRODUÇÃO |
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São os componentes básicos da Eletrônica
Industrial, chaveando grandes cargas, como motores,
eletroimãs, aquecedores, convertendo CA em CC, CC em CA e
gerando pulsos de controle
para outros tiristores.
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Trava
ideal a transistores |
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A estrutura semicondutora comum (com variações)
dos tiristores é PNPN. A trava ideal é um
circuito que permite compreender o funcionamento
dos tiristores. Fig 1 |
Fig
1 |
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Funcionamento
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No
circuito, a base do transistor NPN é alimentada
pelo coletor do PNP, e vice-versa. Não há
inicialmente corrente de coletor alimentando o
outro transistor, e ambos estão no corte.
Mas se aplicarmos um pulso positivo na base do NPN, ou
negativo na do PNP, o transistor será ativado,
fornecendo uma corrente amplificada na base do
outro, que amplificará esta corrente fornecendo
uma corrente ainda maior à base do transistor que
recebeu o pulso. O processo leva rapidamente os
transistores à saturação, fornecendo corrente somente limitada pela carga, o resistor.Fig 2 |
Fig 2
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Uma
vez disparada, a trava só se desliga quando a
corrente for limitada a um valor a um valor mínimo, corrente
de manutenção, que não permite manter os
transistores na saturação. Isto pode ser conseguido
desligando o circuito, ou curtocircuitando os emissores.
A trava também pode ser disparada por avalanche,
aplicando-se uma sobretensão entre os emissores, que
inicia a ruptura em um dos transistores, alimentando a
base do outro, o que leva à saturação como no caso do
pulso, anterior |
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SCR:
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É
o principal dos tiristores, pelo número de aplicações.
A
sigla significa retificador controlado de silício (Sillicon
Controlled Rectificier). Ele é um diodo
controlado por pulso, aplicado no gatilho ( gate
). Sua estrutura PNPN é igual à da trava ideal, sendo
o pulso positivo
aplicado no terminal que corresponde à base do
transistor NPN, o gatilho. O emissor do PNP é o anodo
e o do NPN, o catodo
do diodo.
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SCS:
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É
um tiristor semelhante ao SCR, mas com dois terminais de
disparo, correspondentes às bases dos transistores da
trava ideal, gatilho de anodo, Ga, e g. de catodo, Gc,
permitindo disparo por pulsos negativo ou positivo,
respectivamente.
Não é muito comum, sendo geralmente de baixa potência.
A sigla significa chave controlada de silício (S de
Switch)
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Diodo de quatro camadas:
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É
um tiristor de avalanche, sendo disparado com tensões
de algumas dezenas de V. Seu dois terminais são o
catodo e o anodo, não há gatilho.
É usado em geradores de pulso de disparo de SCR e
osciladores dente-de-serra. |
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GTO:
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Todos
os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo
da corrente de manutenção, o que exige circuitos
especiais de desligamento em certos casos. O GTO permite o
desligamento pelo gatilho, por pulso negativo de alta
corrente, daí o nome (Gate Turn Off,
desligamento pelo gatilho).
Estruturalmente,
é similar ao SCR, mas a dopagem e a geometria da camada
do gatilho permite minimizar o sobreaquecimento no
desligamento (que destruiria um SCR).
O deligamento é feito em geral através de descarga de
um capacitor.
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Foto-SCR:
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Se expusermos a junção NP central da trava ideal à luz,
através de uma janela e lente, esta se comportará como
um fotodiodo, fornecendo uma corrente de base ao
transistor NPN, e disparando o SCR. Isto permite isolar o
circuito de disparo, feito por um LED, do circuito de potência.
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DIAC:
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Pode ser
entendido como dois diodos Schokley em antiparalelo. O
seu disparo ocorre quando se atinge a tensão de
bloqueio em qualquer sentido, da ordem de 25 a 40 V. É
usado em geral para disparar o TRIAC, em circuitos de
controle de tensão CA por ângulo de disparo. Sua
estrutura é PNP, e funciona como um transistor cuja
base só é alimentada quando se atinge a tensão de
ruptura, o que leva à saturação, caindo a tensão nos
terminais para uns 0.2 V. |
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TRIAC:
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É
o equivalente ao SCR, para operação em CA. A sua
estrutura é a mais complexa entre os tiristores, contendo
diversas regiões PNPN que atuam como travas ideais
interligadas, o que permite que o disparo seja feito com
tensão + ou -, e a polarização entre terminais
principais 1 e 2 (análogos ao K e A do SCR) + ou - , o
que é chamado operação em 4 quadrantes. A
corrente de disparo é menor no quadrante 1 (gatilho e
terminal principal 2 - MT2 - positivos em relação ao
terminal principal 1- MT1) e maior no quadrante 4, (G + e
MT2 -).
O TRIAC seria mais comum em aplicações CA se não
fosse menos robusto e sensível (exige bem maior corrente
de disparo), além de mais caro que 2 SCR’s ou GTO’s
em antiparalelo de grandes correntes. É usado em controle
de lâmpadas e motores universais, e chaveamento de cargas
até uns 50A.
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Disparo dos tiristores
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Os
tiristores podem ser disparados de diversos modos: através
de pulso, por ângulo de fase em CA e por CC.
O
disparo por CC é usado em chaveamento de cargas
por longos períodos, como lâmpadas, calefatores,
eletroimãs e motores, em sistemas de controle tipo
liga-desliga e por ciclos. Nestes casos manter a
alimentação de gatilho, apesar do consumo de energia
desnecessário e o aquecimento da junção, simplifica o
circuito de comando.
O disparo por ângulo de fase é típico
de controle de luminosidade de lâmpadas em CA (dimmer),
e de velocidade de motores universais ou de CC. Nestes,
a cada ciclo da tensão CA de alimentação, é gerada
uma tensão defasada por uma ou duas redes de atraso RC,
e quando a tensão atingir a tensão necessária ao
disparo do SCR ou TRIAC (mais a do DIAC, se estiver em série),
num dado ângulo de fase, o tiristor é disparado. O
processo se repete a cada ciclo (ou sericícola, em onda
completa), e variando o valor do(s) resistor(es),
varria-se a porção do ciclo em que é alimentada a
carga (ângulo de condução do tiristor),
variando a tensão média e eficaz, e a potência na
carga.
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Estrutura do UJT
Simbolo |
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O disparo por pulsos é o mais sofisticado e
preciso, e o mais empregado. Usa um gerador de pulsos,
freqüentemente com transistor unijunção, UJT,
que é outro tiristor, constituído de uma barra de
material N, com uma porção lateral tipo P próxima do
centro. A região P é o emissor, E, e os extremos da
barra as bases 1 e 2, B1 e B2
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Funcionamento do UJT
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O UJT atua como uma trava ideal com a base do PNP
polarizada por um divisor de tensão, que é o efeito da
barra N dividida pela região P. Quando a tensão no
emissor for 0.6 V acima da tensão fornecida pelo
divisor, o PNP é ativado, que
polariza o NPN, disparando a trava.
Quando a corrente cair
abaixo do valor de manutenção, a trava se desliga.
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Circuito
equivalente
Gerador de pulsos |
O
UJT é usado como gerador de pulsos, conforme o circuito
à direita. O capacitor se carrega através do resistor
e quando a tensão no E do UJT ultrapassa a tensão de
disparo do UJT, fornecida pel0a fonte e resistores, ele
se dispara, descarregando o capacitor e fornecendo um
pulso curto ao resistor de carga, ligado à B1.
O valor da tensão de disparo está entre 0.55 e 0.8
vezes a tensão
de alimentação, conforme o UJT. O período dos pulsos
é próximo de T = RC e a freqüência de f = 1 / RC, o
resistor e o capacitor ligados ao emissor, variando um
pouco com o UJT.
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