Curso de Eletrônica de Potência – Parte 8 – Tiristores – Outros Dispositivos (CUR3008)
No controle de dispositivos de alta potência alimentados pela rede de energia ou ainda a partir de corrente alternada trifásica de inversores, controles industriais, etc. são usados dispositivos semicondutores especiais. Esses dispositivos, formados basicamente por estruturas de 4 camadas pertencem à família dos tiristores.
Encontramos tiristores controlando cargas resistivas de alta potência como lâmpadas e elementos de aquecimento em estufas, fornos e outras aplicações industriais assim como controlando cargas indutivas como motores, transformadores inversores, solenoides e muitos outros dispositivos semelhantes.
Os elementos que formam esta família diferenciada de dispositivos 0semicondutores possuem características elétricas específicas que precisam ser conhecidas do profissional que vai usá-lo.
Da mesma forma, os circuitos em que eles aparecem possuem configurações diferentes dos circuitos tradicionais que usam transistores e outros elementos semelhantes.
Isso implica na necessidade de uma tecnologia de interfaceamento dos dois tipos de circuito que leva a condições especiais críticas que o profissional deve conhecer.
Nos capítulos anteriores estudamos alguns desses dispositivos como o SCR, GTO, Triac e Quadrac. Neste capítulo veremos alguns mais, completando nosso conjunto de semicondutores de potência do grupo dos Tiristores.
SUS é o acrônimo para Silicon Unilateral Switch ou Chave Unilateral de Silício. Trata-se de um dispositivo semicondutor da família dos tiristores usado em comutação.
Na figura 1 temos o símbolo usado para representar esse componente e seu circuito equivalente, que nos permite entender seu funcionamento.
Figura 1 – Símbolo e circuito equivalente ao SUS
Os SUS são usados no disparo de SCRs e na produção de pulsos (formas de onda), além de outras aplicações.
Como os SCRs e outros dispositivos da família os SUS consistem em chaves regenerativas com a diferença de que em sua comporta (gate) existe um diodo zener que determina a tensão de disparo do componente.
Outro fato que diferencia o SUS de um SCR é que seu disparo é feito pela comporta de anodo.
Em funcionamento, quando a tensão entre o anodo e o catodo tornar-se suficientemente positivo para produzir a condução do diodo zener, o SUS dispara, ou seja, passa de estado de desligado para o de plena condução, fluindo então uma corrente intensa entre o anodo e o catodo.
Normalmente o diodo zener interno existente nos SUS tem uma tensão de 7,4 V o que, levando-se em conta a barreira de potencial entre o anodo e a comporta, determina uma tensão de disparo da ordem de 8 V.
Para os casos em que se desejar uma tensão de disparo menor, basta ligar um diodo zener de valor apropriado entre a comporta e o catodo.
Os SUS têm as seguintes especificações principais:
Dissipação (Pd) – é a potência máxima que pode dissipar, normalmente expressa em miliwatts
Pico inverso de tensão (Vdrm) – é a maior tensão que pode ser aplicada no sentido inverso
Corrente máxima de anodo (IA) – é a corrente máxima que podem conduzir no disparo
Corrente de pico máxima de anodo (IAP) – é o valor de pico da corrente de anodo
Corrente máxima de comporta (IG) – é a corrente máxima que pode flui pelo terminal de comporta
A curva característica desse componente é mostrada na figura 2.
Figura 2 – Curva característica do SUS
Observe que ela é semelhante a de um SCR, com a diferença de que a tensão de disparo é programada pelo comporta, ou da ordem de 7 V se ela for mantida desligada.
Os invólucros dos SUS são semelhantes ao de transistores. Na figura 3 temos um exemplo de um desses componentes, os 2N4984 e 2N4985, que não são muito comuns atualmente.
Figura 3 – Invólucros típicos de SUS
Os máximos absolutos deste componente, obtidos do datasheet são dados na figura 4.
Figura 4 – Máximos absolutos de um SUS típico
Como se trata de componente unilateral, ou seja, conduz a corrente num único sentido, ele é indicado ao disparo de circuitos com SCRs, sendo ligado à sua comporta.
Na figura 5 temos um circuito típico de um controle de potência com um SCR e SUS.
Figura 5 – Um controle de potência para motor usando um SCR e um SUS
SBS significa Silicon Bilateral Switch ou Chave bilateral de Silício.
Esse componente, da família dos tiristores, consiste num semicondutor usado principalmente em circuitos de comutação.
Na figura 6 temos o símbolo adotado para representar o SBS assim como os seus circuitos equivalentes.
Figura 6 – Símbolo e circuito equivalente ao SBS
O SBS, conforme podemos ver consta de dois SUS ligados em oposição, representados na figura por SCRs com disparo pelo anodo, ou disparo programado e zeners externos.
Assim, da mesma maneira que os SUS são usados nos circuitos de disparo de SCRs, os SBS são usados no disparo de Triacs, pois conduzem corrente nos dois sentidos.
O SBS funciona como um comutador acionado por tensão, no caso em que a tensão de disparo é determinada pelos zeners internos. Como temos dois zeners disparando dois SCRs a tensão de disparo pode ser tanto positiva como negativa.
A curva característica deste componente é mostrada na figura 7.
Figura 7 – Característica do SBS
Seu funcionamento ocorre da seguinte forma:
Se o sinal aplicado à comporta for positivo em relação ao terminal A1 é o diodo zener 2 que conduz e deste modo, é disparado o SCR2.
Se o sinal for positivo em relação ao terminal A2, neste caso é o diodo zener 1 que conduz e o disparo é de SCR1.
Veja que a ligação externa de diodos zener entre a comporta e o anodo, desde que sua tensão seja menor que a do zener de disparo interno, permite alterar as características de disparo deste componente.
As principais características deste componente são especificadas da seguinte forma:
Dissipação (Pd) – é a potência máxima que podem dissipar, normalmente expressa em miliwatts
Os SBS são obtidos em diversos tipos de invólucros. Na figura 8 temos um exemplo, para o SBS 2N4992 da GE que não é um componente muito comum atualmente.
Figura 8 – O SBS 2N4992
Na figura 9 temos os máximos absolutos desse componente do datasheet.
Figura 9 – Máximos absolutos do 2N4992
A tensão típica de disparo do SBS está entre 7 e 9 V, mas pode ser alterada pela polarização conveniente do gate.
Como O SBS pode conduzir a corrente em ambos os sentidos, ao disparar, ele é utilizado no disparo de Triacs enquanto o SUS é usado no disparo de SCRs.
Na figura 10 temos um circuito típico de aplicação em que o SBS e um Triac são usados num controle de potência (veja capítulo anterior).
Figura 10 – Controle de potência com SBS
Os diacs são dispositivos comutadores de três camadas com a estrutura e símbolo mostrados na figura 11.
Figura 11 – Estrutura e símbolo do diac
Na figura 12 temos a curva característica deste dispositivo que nos mostra que o disparo ocorre com a polarização em qualquer sentido, pois as duas junções possuem as mesmas características.
Figura 12 – Característica do diac
Na figura 13 damos as características de dois diacs comuns assim como seu aspecto e característica.
Figura 13 – Símbolo, características e curva de dois diacs típicos
Aproveitando as propriedades dos diacs eles são ligados aos triacs como dispositivos de disparo, pois quando atinge a tensão desejada, ele comuta rapidamente levando o triac a também disparar, conforme mostra a figura 14.
Figura 14 – Controle de potência usando diac
Esta tensão de disparo pode ser facilmente descoberta com o circuito de prova da figura 15.
Figura 15 – Circuito para determinar a tensão de teste de um diac
Outro circuito para se determinar o ponto de disparo de um diac usando um osciloscópio é mostrado na figura 16.
Figura 16 – Outro circuito de teste para diacs
O circuito da figura 17 pode ser usado para disparar um triac ou ainda um comparador num projeto em que se necessite de um pouso que seja produzido exatamente em determinado ângulo de fase de um sinal senoidal aplicado à entrada.
Figura 17 – Disparador com retardo de fase usando diac
O circuito mostrado na figura 18 é disparado por uma tensão de entrada determinada pelo ajuste de P1. Evidentemente, a tensão aplicada nesta entrada deve ser igual ou maior que a necessária ao disparo do Diac.
Figura 18 – Sensor de tensão usando diac
A tensão de 30 V indicada neste projeto, mostrado na figura 19, na realidade, depende do diac usado. Ela deve ser levemente inferior àquela necessária ao seu disparo.
Figura 19 – Relé com trava usando diac
Na figura 20 temos o símbolo adotado para representar este componente e sua estrutura equivalente.
Figura 20 – Estrutura e símbolo do PUT
Este valor, conforme mostra a figura 21 pode ser programado por uma rede resistiva ligada à comporta.
Figura 21 – programando a tensão de disparo do PUT
Na figura 22 temos a curva característica do PUT.
Figura 22 – Característica do PUT
O PUT não é um dispositivo muito comum nos equipamentos modernos. Basicamente eles serão encontrados em circuitos nos quais se deseja gerar um sinal dente de serra de baixa freqüência.
Este componente é um PUT da Philips, pouco comum em nossos dias, mas bastante versátil em termos de aplicações. Na figura 23 a pinagem e características.
Figura 23 – O BRY39, PUT de uso geral
O circuito mostrado na figura 24 usa um transistor programável unijunção (PUT) do tipo BRY39, e pode gerar frequências entre alguns hertz e algumas centenas de quilohertz.
Figura 24 – Gerador dente de serra
O transistor programável unijunção do oscilador mostrado na figura 25 é o 2N6027 e a ele pode ser usado como componente básico de um oscilador unijunção nesta configuração de carga constante.
Figura 25 – Oscilador com PUT
Encontramos o circuito mostrado na figura 26 numa documentação sobre PUTs (Transistores Programáveis Unijunção) da Motorola de 1974.
Figura 26 – Gerador de rampa com PUT
O SIDAC é um diodo (D) de silício (SI), indicado para aplicações em circuitos de corrente alternada (AC). É justamente isso que o acrônimo para Silicon Diode for Alternating Current indica.
Esse dispositivo possui uma característica de disparo semelhante a dos Diacs, mas com a capacidade de operar com tensões e correntes muito maiores.
Na figura 27 temos a curva característica desse componente.
Figura 27 – Curva característica e símbolo do SIDAC
O SIDAC é um componente bilateral, conforme podemos observar pelas curvas, o que justamente o torna apropriado para aplicações em AC.
Quando a tensão entre os terminais do SIDAC está abaixo de certo valor V(BO), ele se encontra bloqueado. Se a tensão ultrapassar esse valor, o dispositivo conduz e a tensão entre seus terminais cai para o valor de condução direta V(TM) da ordem de 1,1 V.
A corrente que ele pode conduzir nesse estado pode chegar a 10 A para pulsos curtos (10 us, 1 kHz de frequência de repetição).
Uma vez disparado, o dispositivo permanece nessa condição até que as condições de manutenção sejam ultrapassadas, ou seja, a corrente caia abaixo de certo valor ou a tensão aplicada também caia além de certo valor.
Para SIDACs típicos, como os fabricados pela ON ou NTE as tensões de ruptura podem ir de 45 a 250 V com correntes eficazes na faixa de 1 a 10 A.
Como eles podem conduzir correntes intensas no disparo eles são dispositivos ideais para o controle de tiristores (TRIACs e SCRs) de pequena sensibilidade em circuitos de potência. Dentre as aplicações mais importantes indicadas para os SIDACs podemos citar:
- Protetores de sobretensão
- Flashers de xenônio
- Osciladores de Relaxação
- Starters de lâmpadas de vapor de sódio
- Ignição de sistemas que usam gás natural ou óleo
- Fontes de alimentação de alta tensão
Na figura 28 temos informações sobre um SIDAC típico a partir de seu datasheet.
Figura 28 – Um SIDAC comum (MKPV1V120RL)
Observe que diferentemente dos demais dispositivos de disparo que estudamos, o SIDAC pode manusear corrente relativamente intensas.
A seguir, alguns circuitos práticos de exemplo.
A ON Semiconductor em um application note (AND8015/D) apresenta uma aplicação prática interessante para o seu SIDAC MKP1V120RL.
Conforme mostra a figura 29, esse componente pode ser usado para estender a vida útil de lâmpadas incandescentes comuns.
Figura 29 – Aplicação simples para um SIDAC
Se bem que as lâmpadas incandescentes comuns não sejam mais utilizadas em iluminação doméstica existem ainda equipamentos de diversos tipos como, por exemplo, pequenas estufas, chocadeiras, fontes de infravermelho e secadores que fazem uso deste tipo de dispositivo.
Um caso importante que é considerado ao se utilizar esse circuito, é que em lugares de difícil acesso, principalmente instalações externas, o custo e o trabalho de troca da lâmpada em caso de queima são significativos, devendo ser levado em conta o prolongamento de sua vida útil.
O dispositivo é ligado em série com a lâmpada e sua finalidade é diminuir a tensão RMS aplicada ao filamento e assim aumentar a durabilidade da lâmpada.
Também se deve considerar que uma leva redução da tensão RMS aplicada a lâmpada reduz o consumo de energia.
Segundo se afirma, a durabilidade da lâmpada pode ser aumentada entre 1,5 e 5 vezes, dependendo do tipo e potência. Nessa aplicação, como o SICAD comuta apenas com certa tensão, parte do semiciclo aplicado à lâmpada é cortada conforme mostra a figura 30.
Figura 30 – Aplicação do SIDAC cortando o ponto de condução da tensão de rede para lâmpadas incandescentes
Esse corte, diferentemente do que ocorreria com um redutor resistivo, não consume energia.
O ângulo de condução, utilizando-se um SIDAC para 120 V pode ficar entre 110 e 130 graus correspondendo à reduções de potência de 10 a 30%.
Deve-se observar que a comutação rápida de um SIDAC faz com que esse dispositivo gere interferência eletromagnética.
No caso prático de um circuito como o que mostramos, essa interferência vai aparecer principalmente em rádios AM que sejam ligados próximos da lâmpada.
Um filtro para redução desse ruído é mostrado na figura 31.
Figura 31 – Filtro simples contra EMI
Será importante que a frequência de ressonância do circuito fique acima do limite audível para que ele não gere ruídos audíveis quando em funcionamento.
Na escolha do SIDAC para uma determinada lâmpada deve-se levar em conta o pico de corrente que ocorre quando ela é ligada e o filamento se encontra frio (com menor resistência).
Na figura 32 temos um circuito de um Flasher Neon utilizando um SIDAC da Teccor.
Figura 32 – Disparador de xenônio com SIDAC
Essa empresa fabrica SIDACs de 79 a 330 V para aplicações como essa.
Esse circuito nada mais é do que um oscilador de relaxação onde a frequência depende do resistor de carga do capacitor junto ao SICAD.
O resistor de 20 M (22 M padronizado) pode ter seu valor alterado em função da aplicação.
O transformador utilizado é do tipo de pulso de 4 kV para disparo de lâmpadas comuns de xenônio.
Na figura 33 temos um circuito de ignição de gás do tipo encontrado em fogões à gás comuns, gerando alta tensão também a partir de um oscilador de relaxação com um SIDAC.
Figura 33 – Acendedor de gás com SIDAC
Na figura 34 temos o circuito do oscilador de relaxação típico com SIDAC com as fórmulas que permitem calcular os valores dos seus componentes.
Figura 34 – Oscilador de relaxação com SIDAC
Veja que os valores máximos e mínimos de R são críticos dependendo basicamente da tensão de entrada e das tensões de disparo e manutenção do SIDAC, além das correntes envolvidas.
Observe também que a forma de onda desse circuito é dente-de-serra, mas com uma subida exponencial da tensão, dada pela carga do capacitor C.
Os LASCR ou Light Activated SCRs são diodos controlados de silício, ou seja, SCRs, que podem ser disparados pela luz.
Seu princípio de funcionamento é simples: todas as junções semicondutoras são sensíveis à luz, que pode liberar portadores de carga e com isso aumentar a condução dos dispositivos.
Os SCRs comuns não são afetados pela luz, por estarem encerrados em invólucros opacos.
No entanto, no caso dos LASCRs, os invólucros são dotados de uma janela que possibilita a incidência de luz nas junções, ou então são fabricados em invólucros de plástico transparente como os foto-diodos e foto-transistores.
Com isso, a luz provoca um aumento na corrente de disparo até o momento de ocorrer a comutação. Na figura 35 temos o símbolo usado para representar este componente.
Figura 35 – Símbolo e aspecto do LASCR
Atualmente, estes dispositivos não são muito usados, havendo alternativas para os projetos disparados por luz, daí não serem comuns.
Uma aplicação para estes dispositivos está nos relés de estado sólido já integrado com um emissor.
Disparadores e Chaves Ópticas
Basicamente um dispositivo desta família de componentes consiste num emissor de luz (um LED infravermelho, por exemplo) e um receptor que, dependendo da aplicação do dispositivo pode ser um fotodiodo, foto-transistor, foto-diac, foto-disparador, etc. Na figura 36 mostramos o princípio básico de operação desses dispositivos.
Figura 36 – Princípio de operação
Em (a) temos um acoplador (disparador) óptico e em (b) uma chave óptica. Esses dispositivos se diferenciam pela sua forma de uso. Analisemos os principais casos.
Num acoplador óptico temos um LED emissor e um elemento sensor encerrados num mesmo invólucro hermético que não pode receber luz externa, conforme mostra a figura 37.
Figura 37 – O acoplador óptico
Quando o LED recebe um sinal elétrico ele o transforma em luz, transferindo então pelo espaço para o foto-sensor.
Como esses elementos não mantêm contacto elétrico o isolamento entre o emissor e o sensor é enorme, alcançando tensões de 7 000 V ou mais para os tipos comuns, com uma resistência praticamente infinita.
Na aplicação linear ou analógica, o sinal a ser transferido do LED para o sensor deve manter sua forma de onda e fase. É o caso de um sistema de isolamento de sinais num modem em que os sinais não devem ter deformações, conforme mostra a figura 38.
Figura 38 – O acoplador óptico
Veja que neste caso, o elemento usado como sensor deve ter características lineares de resposta para o sinal luminoso que será modulado.
Foto-diodos e foto-transistores são os indicados para aplicações em altas e médias frequências. Para baixas frequências, obtendo-se maior sensibilidade podem ser usados foto-Darlingtons.
Na aplicação digital, o pulso de luz que o LED produz ao receber o comando externo representa um bit ou então simplesmente uma mudança do nível lógico que vai controlar um circuito externo, conforme mostra a figura 39.
Figura 39 – Aplicação digital
Nas aplicações de controle e disparo de dispositivo de potência, podemos ter os acopladores ópticos diretamente ligados a dispositivos de potência como SCRs, TRIACs, IGBTs e Power-MOSFETs, formando relés de estado sólido, como o mostrado na figura 40 e que estudaremos oportunamente.
Figura 40 – Um opto-disparador o opto-relé
Na figura 41 temos a estrutura típica de uma chave óptica que encontra uma enorme gama de aplicações em sistemas de controle.
Figura 41 – A chave óptica
Separamos as características em três grupos: do emissor, do receptor e gerais.
a) Corrente no LED para excitação
Nos comutadores, entretanto, como os dotados de opto-diacs, podemos ter famílias de dispositivos com diversas correntes mínimas exigidas para o disparo.
b) Tensão inversa máxima no LED
É a tensão máxima que pode ser aplicada no LED quando polarizado no sentido inverso. É preciso tomar cuidado com essa características, pois se tratam de valores baixos.
c) Tensão direta no LED
Foto diodos e foto-transistores
Para os foto diodos e foto transistores temos a corrente máxima que eles fornecem quando excitados. Para os foto-transistores poderemos ter famílias de curvas.
Para os acopladores com foto-diacs duas são as características que normalmente são especificadas.
A primeira é a corrente de pico do diac quando ele dispara. Essa corrente é importante, pois ela deve ser intensa o suficiente para disparar o TRIAC externo.
Circuitos disparadores
A característica geral mais importante de um isolador óptico é a tensão de isolamento. Normalmente especifica-se o pico de tensão máxima que pode aparecer entre qualquer ponto do receptor e o do emissor suportado pelo dispositivo.
Os tipos comuns podem ter tensões de isolamento de 5000 a 8000 V tipicamente.
IGCT significa Integrated Gate Controlled Thyristor, ou tiristores com comporta controlada integrada.
Trata-se de um dispositivo da família dos tiristores, destinado a aplicações no controle de potência. Na figura 42 temos a estrutura do IGCT que tem o mesmo símbolo do SCR.
Figura 42 – Estrutura do IGCT
Uma das vantagens desse componente é que ele não necessita de um circuito amortecedor (snubber) para o desligamento.
Outra vantagem está no fato de que o ganho de comporta é 1, já que toda a corrente de anodo se transfere para a comporta.
Na integração temos ainda que o IGCT e o um diodo de mesma tensão de ruptura podem ser integrados sem problemas.
O ESBT ou Emitter-Switched Bipolar Transitor (Transistor Bipolar Comutado por Emissor) consiste num dispositivo que apresenta características ideais para aplicações de comutação em circuitos de alta tensão e alta velocidade.
Esses novos dispositivos possuem uma estrutura combinada com uma parte bipolar que permite obter uma tensão de ruptura muito alta, chegando aos 2 500 V e uma parte de MOSFET de potência que permite uma velocidade de comutação muito alta, chegando aos 150 kHz na configuração em cascata.
A ideia básica é dada pela conexão de um transistor bipolar em série com um MOSFET de potência, conforme mostra a figura 43.
Figura 43 – O ESBT
Na figura 44 temos o símbolo adotado para o novo dispositivo.
Figura 44 – Símbolo do ESBT
Quando os dois transistores são ligados da maneira indicada, o disparo é feito pela aplicação de uma tensão na comporta (gate) do MOSFET de potência.
Com isso, obtém-se perdas no estado ON muito baixas devido a baixa tensão VCEsat dos transistores bipolares em relação da VDSon dos transistores MOSFETs.
Também é possível minimizar as perdas de comutação devido à velocidade muito maior de comutação dos Power MOSFETs quando comparados com os tempos longos de desligamentos (Ts + Tf) de um transistor bipolar.
Para entendermos como funciona um transistor deste tipo analisemos os estados em que ele está ligado e desligado, substituindo o MOSFET de comutação de emissor por uma chave, conforme mostra a figura 45.
Figura 45 – Funcionamento do ESBT
Neste dispositivo o sinal de controle, que faz a comutação do dispositivo, não é aplicado a sua base, mas sim no emissor. A base do transistor é polarizada de forma fixa de modo a determinar a corrente principal no dispositivo.
Como essa corrente é fixa, ela não influi na comutação do dispositivo. Assim, quem determina a velocidade de comutação é a ação do MOSFET. Como a queda de tensão nesse dispositivo é muito baixa, quando comparada ao VCE(sat) do transistor bipolar mais as perdas de entrada a saturação ocorre rapidamente.
A chave é o MOSFET que é controlado por um sinal externo aplicado a sua comporta
Para desligar o dispositivo, basta interromper a corrente de emissor. Desta forma, como não temos a influência do tempo de resposta do transistor bipolar, o desligamento é muito rápido.
O desligamento pelo emissor tem o mesmo efeito, com uma ação muito rápida. A corrente de dreno do MOSFET cai praticamente a zero instantaneamente, o que faz com que o transistor Bipolar também deixe de conduzir.
Assim, para comutar o transistor bipolar, o que se faz é utilizar um MOSFET que tem uma resposta mais rápida, ligado no seu emissor.