Tiristores na Indústria - Artigo

TIRISTORES NA INDÚSTRIA

BRENNER E. S. ARAÚJO, GERALDO M. O. CAMPOS, ÍCARO M. N. DE ALCÂNTARA, LUISMAR B. TEIXEIRA, JOSÉ M. N. BRANDÃO, NIKOLAS S. LIMA E VITOR L. OLIVEIRA

Desenvolvimento de Circuitos Eletrônicos, Tecnologia em Automação Industrial, Faculdade de Tecnologia Senai Ítalo Bologna

Endereço para CorrespondênciaE-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected],

[email protected], [email protected]

Abstract: Study about application of thyristors – solid state four layers p-n-p-n semicondutors – in the industry, both in manufac-ture stage and as part of end product. The thyristors are more commonly represented by Silicon Controlled Rectifiers – the SCRs – but are also represented by many authors by TRIACs, DIACs, MOSFETs and others. In thits study, their represented more ac-curacy than contactors, relays and other devices, specially on high volgate networks and power conversion.

Keywords: Thyristors, SCR, TRIAC, Power Electronics, DIAC, pnpn, solid state, Shockley diode, switching

Resumo: Estudo sobre a aplicação de tiristores – semicondutores de 4 camadas p-n-p-n de estado sólido – na indústria, seja na etapa de produção, seja como parte do produto final. Os tiristores são mais comumente representados pelos Retificadores Contro-lados de Silício – os SCRs – mas também são representados por muitos autores por TRIACs, DIACs, MOSFETs e outros. Neste estudo, representaram resultados de maior precisão e controle de que contatoras, relés e outros dispositivos, especialmente para redes de alta tensão e conversão de potência.

Palavras-chave: Tiristores, SCR, TRIAC, Eletrônica de Potência, DIAC, pnpn, estado sólido, diodo de Shockley, chaveamento

1 Introdução

1.1 História do Tiristor

Read e Shockley (1950), propuseram o “diodo de Shockley”, um dos primeiros dispositivos semi-condutores inventados. Em 1956, Shockley seria um dos 3 ganhadores do prêmio Nobel de Física por ser co-autor do Transistor, o dispositivo semicondutor tido como uma das mais importantes invenções do século.O diodo de Shockley era apoiado pela “Lei do Dio-do”, ou “Equação ideal do diodo de Shockley” (con-forme descrito por Sah em 1991) e não tinha conexão de gatilho. Ebers (1952) estudou o modelo proposto com 4 terminais e funcionalidade de chaveamento. Moll (1954) aprimorou o dispositivo, investigando suas atribuições de gatilho, e usando-o como chave. No fim da década de 1950, a Bell Labs iniciou a co-mercialização dos tiristores em escala industrial, o que acabou tornando o “diodo de Shockley” obsoleto e desde então, diversas variedades do tiristor foram desenvolvidas para o mercado.Das invenções de Shockley, Gordon Moore, John Bardeen, Robert Noyce e outros, iniciaram-se os la-boratórios e indústrias que formaram o polo tecnoló-gico hoje conhecido como “Vale do Silício”. Daí nota-se a importância que as pesquisas com semicon-dutores de tais cientistas tiveram na história posterior à sua época. O tiristor por sua vez foi um dos respon-sáveis pela grande evolução da Eletrônica de Potên-cia a partir da década de 60 (descrito pela Wikipedia 2010).

2 Fundamentação Teórica

2.1 Definição e funcionamento do Tiristor

O Tiristor é um dispositivo semicondutor de 4 camadas, ordenadas como p-n-p-n (positivo-negati-vo-positivo-negativo), sendo as camadas positivas dopadas com maior incidência de lacunas e as cama-das negativas dopadas com maior incidência de elé-trons.Essa disposição de camadas permite que, ao receber corrente no terminal positivo intermediário, inicia-se um ciclo que permite a passagem de corrente direcio-nal do terminal Anodo para o Catodo - pelo modelo convencional - sem a necessidade da manutenção de corrente no terminal de Gatilho.As diversas variantes de tiristores exploram essa fun-cionalidade de formas variadas com aplicações espe-cíficas, mas sua definição básica permanece apoiada por esses fundamentos.

2.2 Os 3 estados do Tiristor

O tiristor pode permanecer em 3 estados (Wiki-pedia, 2010), a depender da passagem de corrente em seus terminais:

• Bloqueio no modo inverso - a tensão está sendo aplicada na direção do Catodo para o Anodo, portanto não há passagem de cor-rente

• Bloqueio no modo direcional - o que signifi-ca que mesmo havendo tensão no Anodo, a corrente não é estabelecida pois ainda não

houve tensão no Gatilho o suficiente para estabelecer a passagem de corrente

• Conduzindo no modo direcional - o que sig-nifica que houve um pulso de tensão sufici-ente para iniciar a passagem de corrente en-tre o Anodo e o Catodo, portanto o dispositi-vo se comporta de maneira semelhante à de um curto circuito, descontando-se sua natu-ral queda de tensão.

2.3 Como interromper a corrente no Tiristor

Uma vez dado o pulso suficiente para estabele-cer a corrente, não é mais necessária tensão no gati-lho para que a corrente se mantenha, portanto as for-mas possíveis (Wikipedia, 2010) para interrompê-la são:

• Curto-circuitar o dispositivo• Levar a corrente do Anodo a níveis abaixo

da corrente de manutenção• Comutação forçada (aplicar uma corrente

oposta à condução direta)

2.4 Aplicações mais Comuns

Na indústria, os tiristores são comumente usados onde grandes quantidades de corrente e tensão estão envolvidas, usando a mudança da polaridade da cor-rente como fator para desligar o dispositivo.Desde seu lançamento comercial, no fim da década de 1960, o tiristor tem sido aplicado nas mais varia-das situações.São aplicados no uso de circuitos de retardo de tem-po, fontes de potência reguladas, chaves estáticas, controles de motor, inversores, ciclo-conversores, carregadores de bateria, circuitos de proteção, con-troles de aquecedores.O TRIAC de baixa potência é utilizado como contro-lador de potência para lâmpadas dimmers, controles de velocidade para ventiladores.Na década de 1970, tiristores foram parte importante da geração de televisores da época, usado interna-mente como um SCR em associação com um DIAC para controlar o fornecimento de potência (Wikipe-dia, 2010).

3 Os diversos tipos de Tiristores

A variedade de tiristores hoje disponíveis no mercado vai de pequenos dispositivos para baixa ten-são a tiristores para retificação de alta tensão em cor-rente contínua (HVDC). Existem também as chama-das pilhas de válvulas para transmissão de energia em longas distâncias.Veja a seguir os tipos mais conhecidos:

3.1 SCR - Retificadores Controlados de Silício

Evoluído a partir do diodo de Shockley, o SCR tornou-se o mais popular tiristor, especialmente pelo

seu largo uso na indústria como dispositivo de ampli-ficação e retificação. Resultado das pesquisas de Moll em 1954, sua diferença para o diodo de Shock-ley original foi a adição do terminal de gatilho, man-tendo a estrutura p-n-p-n original.Este dispositivo não é bidirecional, ou seja, só con-duz em um sentido, retirando ao sinal da porta o SCR não desliga. Pode ser desligado por dois métodos: in-terrupção de corrente no anodo e comutação forçada.Desta forma, o SCR tem múltiplas atribuições dife-rentes, sendo por vezes utilizado com mais eficiência do que transistores (por ter sentido direcional associ-ado com o acionamento por pulso) e outras vezes sendo utilizado no lugar de diodos, como “alavanca” como proteção contra sobrecarga de tensão.Existem ainda variantes do SCR como o ASCR - Re-tificador Controlado de Silício Assimétrico - e o LASCR - Retificador Controlado de Silício Ativado por Luz.

3.2 SCS - Chave Controlada de Silício

Também conhecido como Tiristor Tetrodo, pos-sui gatilho tanto para o Anodo quanto para o Catodo e é usado para chaveamento. A presença de dois ter-minais de gatilho faz com que ele tenha uma maior precisão de controle (descrito por Kuphaldt, 2000), particularmente sobre o modo de falha chamado “co-mutação forçada”, permitindo que o mesmo seja des-ligado por uma força externa sem necessidade de in-terrupção na corrente de manutenção.

3.3 GTO - Tiristor de Desligamento pelo Gatilho

Sigla para “Gate Turn-Off”, o GTO trata-se de um tiristor com maior poder de definição para desli-gamento, pois não somente permite o fechamento da corrente através de pulso de tensão no gatilho, mas também permite o desligamento no caso de inversão da direção da corrente também no gatilho, o que re-mete a três estados:

• Sem tensão no gatilho - permanece o estado atual, seja aberto, seja fechado

• Tensão positiva no gatilho - inicia ou man-tém a corrente entre o Anodo e o Catodo

• Tensão negativa no gatilho - o gatilho assu-me a passagem da corrente e interrompe sua passagem entre o Anoto e o Catodo.

3.4 DIAC - Diodo para Corrente Alternada

Também conhecido como “Diodo de gatilho si-métrico” ou “SIDAC”, possui características diferen-tes dos demais tiristores, pois além de não possuir terminal de gatilho, permite corrente bi-direcional, portanto não é adequado classificar seus terminais como Anodo ou Catodo.O DIAC (descrito por Sze e Ng, 2007) assemelha-se a um diodo Zener, que permite a passagem de corren-te após a tensão exceder o máximo da camada de ruptura, mas ainda assim é diferente por permitir a passagem de corrente em ambas as direções. Após

iniciar a corrente com a tensão característica do dis-positivo, sua resistência cai e sua condução mantém-se de forma semelhante à de circuito fechado.

3.5 TRIAC - Triodo de Corrente Alternada

Também chamado de “Tiristor Triodo Bi-direci-onal” (descrito por Sze e Ng, 2007), este dispositivo equivale a dois SCR conectados inversamente parale-los e seus gatilhos ligados por um só terminal.Um TRIAC pode ser disparado tanto por uma corren-te positiva quanto negativa aplicada em sua porta. Ele continua a conduzir até que a corrente elétrica caia abaixo do valor de corte. Uma grande vantagem dele, é no controle de corrente alternada, que propor-ciona acionar grandes potências com circuitos acio-nados por correntes da ordem de miliampere.Difere-se do SCR principalmente por permitir passa-gem de corrente em ambas as direções, e é disponível tanto para pequenas quanto para elevadas tensões e correntes.

3.6 MCT - Tiristor Controlado por MOS

Este tipo de tiristor se assemelha ao GTO, por permitir desligamento controlado por um gatilho, po-rém seus gatilhos de ligamento e desligamento são controlados por um dispositivo MOSFET, que se tra-ta de um tipo de transistor.

3.7 Outros tipos de Tiristores

Há diversos outros tipos de tiristores, muitos de-les desenvolvidos a partir dos tipos mais comuns ou a partir da combinação deles.

4 Simbologia

A simbologia mais comum de tiristores em geral possui um Anodo, um Catodo e um Gatilho, como pode ver na Figura 1.

Entretanto, para cada tipo de tiristor, há uma simbo-logia específica. Seguem abaixo o desenho respecti-vo para os tipos mais conhecidos e/ou seus respecti-vos circuitos equivalentes:

4.1 SCR

A Figura 2 demonstra a simbologia mais comum do tiristor SCR.

4.2 SCS

Representação esquemática na Figura 3.

4.3 GTO


Figura 1: Símbolo genérico de tiristores

Figura 2: O mesmo símbolo de tiristores é o do SCR

Figura 3: Chave Controlada de Silício

Figura 4: Tiristor de Desligamento pelo Gatilho

4.4 DIAC


4.5 TRIAC


5 Estudo de caso: Conversores Tiristorizados de Potência

5.1 Definição

Conversor tiristorizado de potência trata-se de da implementação de circuitos onde um conjunto de ti-ristores é usado para o controle de potência de uma determinada carga.A situação alternativa para essa situação é a imple-mentação de contatoras, chavedas pela variação da corrente fornecida por sensores, como por exemplo o sensor de temperatura.No caso da Laticínios Bela Vista, essa implementa-ção foi aplicada em casos onde havia a necessidade de controle mais preciso sobre a temperatura do for-no, onde a solução da contatora tornava-se inviável, já que sua variação em torno do set point é acima do permitido.Um conjunto de tiristores então foi usado, sendo aci-onado constantamente pela variação da corrente do sensor de temperatura. Em caso de queda da tempe-ratura abaixo da faixa permitida, os tiristores são aci-onados, aumentando novamente a temperatura, em caso contrário, são desligados e assim conseguem um resultado mais próximo da faixa ideal.Além de ter maior precisão, esta solução também permite maior economia de uma forma geral, já que por muitas vezes seu consumo de energia torna-se menor e o desgaste dos dispositivos reduz a quase zero. O ruído causado também é reduzido drastica-mente, já que não possui chaveamento mecânico como ocorre com as contatoras.

5.2 Controle através de contatora magnética

O fluxo da solução através de contatora resume-se no fornecimento de energia ao forno que é chavea-do pelas contatoras. Elas por sua vez são acionadas quando o sensor de temperatura (termopar) atinge o limite programado, que é analisado por um controla-dor.

Neste caso o chaveamento é feito mecanicamente, desgastando rapidamente.Veja a seguir o gráfico da variação da temperatura em torno do set point (temperatura ideal) ao longo do tempo quando da alternância ligado/desligado usando uma contatora.

Neste caso a variação entre temperaturas mínima e máxima é alta, pois o chaveamento mecânico não tem a mesma precisão que o tiristor.

5.3 Controle através de Tiristores

Já na solução através de Conversor Tiristorizado de Potência, a variação da temperatura em torno do set point é reduzida para valores próximos do ideal, de acordo com o esquema abaixo.

Como pode-se observar acima, desta vez com o cha-veamento sendo tratado através de tiristores (uma ponte de SCRs) a mesma variação detectada pelo sensor de temperatura (termopar) é tratada pelo con-trolador de temperatura.

Figura 5: Símbolo do DIAC

Figura 6: Símbolo do TRIAC

Figura 7: Esquema de sistema controlado por contatora

Figura 8: Variação da temperatura controlada por contatora

Figura 9: Esquema de sistema controlado por ponte de tiristo-res

Neste caso a oscilação ao longo do tempo não só atinge temperaturas mínima e máxima mais próximas como também o chaveamento ligado/desligado ocor-re em frequência muito mais curta, aumentando sua precisão. Como o chaveamento não é mecânico, não há problemas com desgaste por essa variação mais frequente.

5.4 Resultados alcançados

O departamento da empresa responsável pela implementação da solução usando conversor de po-tência observou ganhos com economia com desgaste dos dispositivos e principalmente com a qualidade obtida no processo de produção de um produto sensí-vel à variação de temperatura.A tabela a seguir, publicada pela Therma (2010) de-monstra um comparativo entre os números registra-dos para solução com contatora e solução com con-versor tiristorizado de potência.

Tabela 1: Comparativo de resultados

Item avaliado Ponte de Tiristores Contatora

Freq. de comutação Muito alta Baixa

Tipo sinal controle 4~20mA, 0~10Vcc, etc ON OFF

Qualidade controle Muito alta Baixa

Oscilação Temperatura Nenhuma Inevitável

Desgaste mecânico Nenhum Conforme frequência de comutações

Durabilidade Ilimitada 100.000 a 250.000 operações

Vibração mecânica Nenhuma Grande

Vida útil do elemento aquecedor

Alta Baixa

Tempo de resposta Pequeno Grande

Tipo de comutação Sempre na tensão zero Em qualquer valor de tensão

Faiscamento Nenhum Grande

Interferência na rede Pequena Média

Exige supressor de ruí-do no comando

Não Sim

Manutenção preventiva Anual Mensal

Demanda elétrica Menor Maior

Permite limitação de corrente

Sim Não

Unidade maior é reser-va para menor

Sim Não

Controle de elementos Sim Não

de carbureto de silício ou cargas não lineares

Custo do kW médio Menor Maior

4 Conclusão

A invenção do tiristor faz parte da revolução dos semicondutores no meio do século 20 e abriu o cami-nho para o Vale do Silício e toda a virada tecnológica proporcionada por seus pesquisadores, empresas e la-boratórios. O tiristor foi parte do nascimento da Ele-trônica de Potência na indústria e hoje é largamente utilizado em inúmeras e diferentes aplicações.O estudo sobre tiristores nos permitiu observar a aplicação de semicondutores de uma forma mais ab-rangente e também abriu o mente para a necessidade em estudar a Eletrônica de Potência.A constante diferença entre definir TRIACs, MOS-FETs e DIACs como tiristores ou não nos fez tam-bém observar outro campo relacionado: o de relés de estado sólido, que por muitas vezes abrange tais dis-positivos.

Referências Bibliográficas

Ebers, J. J. (1952). Four-terminal p-n-p-n transistors. Proc. IRE, Vol. 40, No. 2; pp. 1361-1364.

Kuphaldt, T. R. (2000). Lessons In Electric Circuits (e-book), AllAboutCircuits.com.http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_7/9.html (acessado em 5 de setembro de 2010)

Moll, J. L. (1954). Large Signal Transient Response of Junction Transistors. Proc. IRE Vol 42, pp. 1773.

Read, W. T. and Shockley, W. (1950). Dislocation Models of Crystal Grain Boundaries. Phys. Rev. 78, pp. 275–289.

Sah, Chih-Tang, (1991). Fundamentals of solid-state electronics. World Scientific, pp. 432

Sze, S. M. and Kwok K. Ng (2007). Physics of semi-conductor devices. Wiley-Interscience, pp. 577.

Therma (2010). Conversores de Potência Tiristoriza-dos: Aplicações e Vantagens. Therma.com.br.http://www.therma.com.br/palestra.pdf (acessado em 5 de setembro de 2010)

Wikipedia (2010). Thyristors.http://en.wikipedia.org/wiki/Thyristor (acessado em 5 de setembro de 2010)

Wikipedia (2010). Tiristores.http://pt.wikipedia.org/wiki/Tiristor (acessado em 5 de setembro de 2010)

Figura 10: Variação da temperatura controlada por ponte de ti-ristores

Tiristores na Indústria - Artigo

Technology

Transcript of Tiristores na Indústria - Artigo