A principal vantagem é a capacidade de converter e controlar gran, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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Professor Francisco Mesquitta

TIRISTORES

 Os tiristores são uma família de dispositivos semicondutores de

potência com 4 camadas (PNPN).

A principal vantagem é a capacidade de converter e controlar grandes

quantidades de potência, em sistemas DC ou AC, utilizando uma pequena potência para controle.

 São exemplos de tiristores:

 SCR

 TRIAC

FUNCIONAMENTO DO SCR

Pode-se explicar o funcionamento do SCR utilizando um modelo equivalente com transistores:

 Quando o modelo está reversamente polarizado (VA<VC), nenhum dos transistores conduz.

 Quando o modelo está diretamente polarizado (VA>VC) e IB=0, a corrente que flui pelos transistores é apenas uma corrente de fuga, insuficiente para colocá-los em condução.

Quando o modelo está diretamente polarizado e é fornecido um pulso de tensão no gatilho com corrente suficiente para acionar a base de Q 2 , este entra em condução e “puxa” corrente da base de Q 1 , fazendo com que este também entre em estado de condução. Ao cessar o pulso, os transistores continuam no estado de condução, pois são complementares e um “aciona” a base do outro. Este processo só termina se a corrente de base de Q 2 cair abaixo da corrente mínima para manutenção da condução ou ocorrer uma polarização reversa do modelo.

CURVA CARACTERÍSTICA DO SCR

VBR: tensão reversa de ruptura IR: corrente reversa IGK: corrente no gatilho IL: corrente de retenção (corrente de disparo com tensão mínima de gatilho) IH: corrente de manutenção VBO: tensão direta de disparo quando IGK=

COMUTAÇÃO DE UM SCR

 Comutar um SCR significa bloqueá-lo , ou seja, “cortar” sua corrente e

impedir que ele retorne a condução. Os processos básicos para bloqueio são a comutação natural e a comutação forçada.

 A comutação pode ser de dois tipos:

Natural: quando a corrente do anodo é reduzida a um valor abaixo

de por ação do sistema onde se encontra o SCR.

Forçada: obtida quando usamos de um circuito auxiliar para

bloquear o SCR.

COMUTAÇÃO NATURAL (OU DE LINHA AC)

 Se a chave está fechada, no semi-ciclo

positivo o SCR é acionado quando VGK atingir o valor mínimo para disparo. Na passagem por zero, para o semi-ciclo negativo, o SCR é bloqueado.

 Quando a chave for aberta, o SCR será

desligado na primeira passagem por zero para o semi-ciclo negativo, desde que permaneça reversamente polarizado pelo tempo mínimo necessário para bloqueio.

 O tempo mínimo para bloqueio determina

a freqüência máxima de operação do SCR.

COMUTAÇÃO FORÇADA – BLOQUEIO POR CHAVE

Quando SW2 é acionada, a corrente entre anodo e catodo cai a zero e o SCR é bloqueado. Em seguida a chave é aberta e a carga desligada.

COMUTAÇÃO FORÇADA – BLOQUEIO POR CAPACITOR

 Quando SW2 está desligada, o capacitor se carrega.

 Ao acionarmos a chave SW2, o capacitor carregado polariza inversamente o SCR, já que é conectado ao terra da fonte.

 O SCR é bloqueado e o capacitor se descarrega no circuito fonte-carga.

 A chave SW2 pode ser um SCR auxiliar.

Para assegurar a comutação, deve-se utilizar a capacitância conforme a equação:

onde C é o capacitor de comutação (em μF), RL é a resistência da carga (em Ω ) e tOFF é o tempo de desligamento do SCR (em μs).

L

OFF

R

t

C

CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL DC

 Ao fechar a chave, uma corrente é aplicada no gatilho do dispositivo que está diretamente polarizado. Isso faz com que o SCR passe para o estado ligado. O resistor RG limita a corrente no gatilho e o diodo D limita a amplitude do sinal negativo no gatilho.

 A aplicação de um sinal DC constante no gatilho não é recomendada pois gera dissipação de potência.

 Não se deve utilizar acionamento DC em circuitos AC pois pode ocasionar aumento demasiado de corrente inversa no SCR durante o semi-ciclo negativo, danificando o componente.

CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL PULSADO

 Para reduzir a dissipação de potência no gatilho, os circuitos de disparo do SCR geram um único pulso, ou um trem de pulsos, substituindo o sinal DC contínuo.

 Além disso, é fácil obter isolamento entre o circuito de controle e o SCR usando um transformador de pulso ou um acoplador óptico.

 O circuito ao lado apresenta o controle de um SCR usando um transistor de unijunção – UJT e acoplamento por transformador de pulso. Quando o capacitor estiver carregado ao nível da tensão de pico do UJT, este passa ao estado ligado por um breve intervalo de tempo, gerando um pulso no transformador.

 A largura do pulso de saída pode ser aumentada com o acréscimo do valor de C, no entanto existem limitações. Em alguns casos pode não haver tempo de pulso suficiente para acionar o SCR.

CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL AC

 No circuito a seguir temos o controle de fase realizado por um circuito

RC, que provoca um atraso da fase no gatilho.

 O ângulo de fase do atraso no gatilho depende dos valores de R 1 +R 2 e

de C. Um aumento em R 2 faz com que o atraso aumente.

 No semiciclo negativo o SCR é bloqueado na passagem por zero

devido à polarização reversa.

 Em ambos os circuitos vistos, o diodo D impede que se tenha uma corrente negativa no gatilho.

 No controle resistivo, o disparo pode ser ajustado para um ponto entre 0 e 90º do semiciclo positivo, pois depois de 90º a tensão começa a diminuir.

 No controle por circuito RC, o disparo pode ser ajustado para qualquer ponto entre 0 e 180º, já que podemos atrasar o sinal de controle em até 90º.

CIRCUITOS DE ACIONAMENTO DO GATILHO – SINAL AC

TIRISTORES - GTO

 O tiristor de desligamento por porta (Gate turn-off tyristor – GTO) é uma chave semicondutora de potência que passa para o estado ligado como um SCR normal, isto é, com um sinal positivo no terminal porta.

 Além disso, pode passar para o estado desligado por meio de uma corrente de porta negativa. Portanto, tanto a operação no estado ligado quanto desligado são controladas pela corrente de porta.

 Outra boa característica é a velocidade de chaveamento. No disparo é igual a de um SCR. No desligamento, o tempo gasto é menor.

 Contudo, valores nominais de tensão e corrente são inferiores aos do SCR e a perda de potência é maior devido à necessidade de corrente para o desligamento.

TIRISTORES - DIAC

 O diodo AC (DIAC) é uma chave semicondutora de 3 camadas e 2 terminais. Opera como dois diodos em contraposição série.

 A única maneira de disparar o DIAC é excedendo a tensão de disparo, podendo ser chaveado para qualquer polaridade de tensão.