Eletronica Industrial 1
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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
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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
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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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10
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
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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