Texto extraído do site INCB - www.newtoncbraga.com.br

Controles de Potência usando tiristores (MEC341)

Este artigo foi originalmente publicado no livro Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligent (esgotado) nos Estados Unidos (*). Nele descrevemos os aspectos básicos do uso de tiristores no controle de cargas como motores, solenoides, relés, elementos de aquecimento. Vários circuitos seguem essa sequência com aplicações específicas.

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(*) Uma nova edição em português, em espanhol e em inglês está sendo preparada com a finalidade de atender as modificações impostas no ensino de tecnologia no nível médio pelo BNCC (Base Comum Curricular) de 2018 e pelo STEM do programa americano semelhante aprovado em 2015 e analisado desde 2009.

Dispositivos semicondutores da família de tiristores podem ser usados ??para fins de controle de energia. Estes incluem retificadores controlados por silício (SCRs), triacs, chaves bilaterais de silício (SBSs), chaves unilaterais de silício (SUSs), diacs e outros. Este capítulo mostrará ao leitor como SCRs, triacs e outros tiristores podem ser usados em robótica, mecatrônica e outros projetos envolvendo o controle de cargas de alta potência, como motores, lâmpadas, solenoides e assim por diante.

 

Os tiristores

Tiristores são dispositivos semicondutores de quatro camadas destinados a aplicações de controle de potência. A família de tiristores é composta de dispositivos que podem ser usados em circuitos CA e CC.

As aplicações básicas incluem o controle on-off e o controle de fase, onde a quantidade de energia aplicada a uma carga pode ser ajustada em uma faixa linear de valores. Nos parágrafos seguintes, veremos como funcionam alguns tiristores e como eles podem ser usados em robótica e mecatrônica.

 

Retificadores controlados de silício (SCR)

O retificador controlado de silício (SCR) é um dispositivo de quatro camadas da família dos tiristores.

O símbolo, estrutura e circuito equivalente são mostrados na Figura 1.

 

Figura 1 - SCR: símbolo, estrutura e circuito equivalente.
Figura 1 - SCR: símbolo, estrutura e circuito equivalente.

 

O SCR, como o símbolo sugere, pode ser comparado a um diodo que conduz a corrente em apenas uma direção, uma vez acionado. Para disparar em um SCR, é necessário aplicar uma tensão positiva ao gate. Essa voltagem polariza o transistor NPN do circuito equivalente para o estado saturado. Isso causa um feedback que força o transistor PNP para o estado saturado também. Mesmo quando a tensão de disparo desaparece, os transistores permanecem ligados devido a feedback. Para desligar o SCR, existem duas possibilidades:

1. Crie um curto com um interruptor entre o ânodo e o catodo, fazendo com que a tensão entre esses elementos caia para zero. Pressionando o botão momentaneamente desliga os SCRs.

2. Desligue a alimentação do circuito. Quando a alimentação é ligada novamente, o SCR permanece desligado se não houver tensão de disparo no gate.

A Figura 2 mostra a aplicação básica de um SCR em um circuito de controle. S1 e S2 são usados para desligar o circuito.

 

Figura 2 - Circuito usando um SCR.
Figura 2 - Circuito usando um SCR.

 

Os SCRs comuns são muito sensíveis e podem ser acionados por correntes tão baixas quanto algumas centenas de microamperes. Exemplos incluem o TIC106, MCR106, IR106, etc. A tensão de disparo para esses dispositivos está na faixa de 1 a 2 V. A corrente principal, entre o ânodo e o cátodo, está tipicamente na faixa de 100 mA a mais de 100 A.

 

Usando o SCR.

Os SCRs podem ser usados em circuitos CA e CC. Em circuitos CC, devemos apenas lembrar que o dispositivo permanece ligado após o sinal de disparo ser removido. Nos circuitos CA, o SCR é desligado quando a tensão cruza o ponto zero no final de cada semiciclo, como mostrado na Figura 3.

 

Figura 3 - O SCR conduz no meio ciclo quando acionado.
Figura 3 - O SCR conduz no meio ciclo quando acionado.

 

Depois que um SCR é ligado, devemos manter uma quantidade mínima de corrente nele para mantê-lo ligado. Essa corrente é chamada de corrente de retenção e está na faixa de alguns miliamperes para dispositivos comuns.

Outro ponto importante a ser considerado ao usar SCRs em circuitos de baixa tensão é que uma queda de tensão de cerca de 2 V é produzida quando está ligada, como mostrado na Figura 4.

 

Figura 4 - Queda de tensão em um SCR.
Figura 4 - Queda de tensão em um SCR.

 

Em algumas aplicações de robótica e mecatrônica, essa queda de tensão deve ser compensada por um aumento na tensão da fonte de alimentação. Em aplicações de alta tensão (conectadas à rede de energia CA, por exemplo), essa queda de tensão pode ser ignorada. Essa tensão também determina a quantidade de energia convertida em calor pelo dispositivo quando em operação.

 

Triacs

O triac é outro semicondutor da família de tiristores que pode ser usado para controlar cargas CA ou CC. A diferença entre o SCR e o triac é que o triac pode conduzir corrente em ambas as direções. Podemos pensar no triac como dois SRCs conectados em um modo anti-paralelo com um eletrodo comum para o gate. A figura 5 mostra a estrutura e o símbolo de um triac.

 

Figura 5 - Triac, símbolo e estrutura.
Figura 5 - Triac, símbolo e estrutura.

 

O triac é encontrado principalmente em circuitos de corrente alternada, já que é um dispositivo bilateral. Em aplicações dc, o SCR é o preferido. Os triacs comuns normalmente possuem tensões de disparo na faixa entre 1 e 2 V e correntes na faixa entre 10 e 50 mA. A corrente principal pode subir de 1 ou 2 A para mais de 100 A.

 

Usando o triac

A figura 6 mostra o circuito básico de aplicação de um triac. A carga é conectada em série com o terminal principal 2 (MT2) e o terminal principal 1 é conectado ao terra. Existem quatro maneiras de acionar o triac, como mostrado na Figura 7. Em aplicações básicas, o modo de disparo no primeiro quadrante é o preferido, já que fornece mais sensibilidade.

 

Figura 6 - Usando o triac.
Figura 6 - Usando o triac.

 

 

 

Figura 7 - Modos de disparo do Triac.
Figura 7 - Modos de disparo do Triac.

 

 

Quando ligado, manifesta-se uma queda de tensão de cerca de 2 V no dispositivo. Esta queda de tensão determina a quantidade de calor produzida pelo dispositivo (queda de tensão x corrente = potência de dissipação).

 

Outros dispositivos da família do tiristor

Muitos outros dispositivos da família dos tiristores podem ser usados ??em projetos envolvendo robótica e mecatrônica. Os seguintes são os mais importantes.

 

UJT

O transistor unijunção (UJT) é um dispositivo que apresenta uma característica de resistência negativa. Esta característica faz com que seja útil como um oscilador em aplicações de baixa frequência. A Figura 8 mostra o símbolo, a estrutura e a característica deste dispositivo.

O UJT pode ser usado como um oscilador de relaxação na configuração ilustrada pela Figura 9. Este circuito pode ser usado para produzir ondas ou pulsos de dente de serra na faixa de frequência entre uma fração de hertz e 100 kHz. O mais popular dos transistores unijunção é o 2N2646.

 

 

Figura 8 - O UJT.
Figura 8 - O UJT.

 

 

 

Figura 9 O oscilador de relaxação
Figura 9 O oscilador de relaxação

 

 

SUS

SUS é a abreviatura de chave unilateral de silício. Este dispositivo também mostra uma característica de resistência negativa que o torna útil como dispositivo de disparo para SCRs. A Figura 10 mostra o símbolo deste dispositivo e como ele pode ser usado em circuitos com SCRs.

 

Figura 10 - O SUS.
Figura 10 - O SUS.

 

 

Diac

O diac é um dispositivo de disparo para triacs. Este dispositivo semicondutor passa do estado desligado para o estado ligado em um tempo muito curto, quando a tensão através dele sobe para um determinado valor (cerca de 27 V para tipos comuns). Como o diac dispara com tensões negativas ou positivas, ele pode ser usado para disparar triacs como mostrado na Figura 11.

 

Figura 11 - O diac.
Figura 11 - O diac.

 

Em alguns casos, o diac e o triac são montados dentro do mesmo invólucro. O dispositivo formado por esses dois elementos também é chamado de quadrac.

 

SBS

O interruptor bilateral de silicio é outro dispositivo de disparo para circuitos usando tiristores. O símbolo e a aparência desse componente são mostrados na Figura 12. A diferença deste dispositivo e do diac é que a tensão de disparo pode ser programada pelo eletrodo de controle.

 

Figura 12 - O SBS.
Figura 12 - O SBS.

 

Lâmpada De Néon. A lâmpada de néon não é realmente um dispositivo de estado sólido, é claro. Mas este dispositivo, devido à sua característica de resistência negativa, é útil em muitos circuitos como elemento de disparo. A Figura 13 mostra o símbolo e a aparência de uma lâmpada de neon.

 

Figura 13 Lâmpada de néon.
Figura 13 Lâmpada de néon.

 

A lâmpada de neon passa do estado desligado para o estado ligado, conduzindo corrente quando a tensão através de seus terminais sobe para cerca de 60 a 80 V. Em muitas aplicações, a lâmpada de neon pode substituir os diacs e o SBS disparando tiristores, como triacs e SCRs.