SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL Escola de Educação Educação Profissional Profissional Senai “Plínio Gilberto Kröeff” Kröeff”
ELETRÔNICA INDUSTRIAL
Professor: Carlos Ricardo dos Santos Barbosa, Gustavo Grams Teixeira Unidade Curricular: Manutenção Eletrônica Curso: Técnico em Eletrônica
São Leopoldo 2009
SUMÁRIO
1 ESTUDO DOS TIRISTORES TIRISTORES ........................................................................ 03 1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES ....................................................... 03 2 SCR- RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO............. SILÍCIO .......................... ......................... ............ 04 2.1 ESTRUTURA E SIMBOLOGIA DO SCR ......................... ............ .......................... .......................... ............... 04 2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SCR.......................... ............. ......................... .................. ...... 05 2.3 AS CORRENTES IL E IH ........................................................................... 08 2.4 CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS ............................................................. 09 2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES ....................................................... 12 2.6 O EFEITO dI / dt ......................................................................................... 12 2.7 O EFEITO dV/ dt ........................................................................................ 14 2.7.1 Circuito Snubber ...................................................................................... 15 2.8 MÉTODOS DE DISPARO DE UM SCR ..................................................... 17 2.9 MÉTODOS DE BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR ......................... ............ ............... 17 2.9.1 Comutação natural .................................................................................. 18 2.9.2 Comutação Forçada ................................................................................ 18 2.10 INFLUÊNCIA DE COMPONENTES PASSIVOS ENTRE GATE-CÁTODO .............................................................. 19 2.11 CARACTERÍSTICAS ANODO-CÁTODO DO SCR .................................. 20 2.12 EFEITOS DESTRUTIVOS ........................................................................ 23 2.13 TIRISTORES EM PARALELO E EM SÉRIE ............................................ 24 2.13.1 Tiristores em Paralelo ............................................................................ 24 2.13.1.1 Equilíbrio de Corrente Mediante Triagem ......................... ............ ......................... .................. ...... 25 2.13.1.2 Equilíbrio de Corrente Mediante Resistência ..................................... 25 2.13.1.3 Equilíbrio Equilíbrio de Corrente Mediante Indutância ....................................... 26
2.13.2 Tiristores em Série ................................................................................ 28 2.13.2.1 Equilíbrio das Tensões em Regime ......................... ............ .......................... .......................... ............... 28 2.13.2.2 Equilíbrio de Tensões no Transitório .................................................. 29 2.14 SOBRECARGA EM TIRISTORES ........................................................... 30 2.14.1 Corrente Inrush (Corrente de Pico) ....................................................... 30
SUMÁRIO
1 ESTUDO DOS TIRISTORES TIRISTORES ........................................................................ 03 1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES ....................................................... 03 2 SCR- RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO............. SILÍCIO .......................... ......................... ............ 04 2.1 ESTRUTURA E SIMBOLOGIA DO SCR ......................... ............ .......................... .......................... ............... 04 2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SCR.......................... ............. ......................... .................. ...... 05 2.3 AS CORRENTES IL E IH ........................................................................... 08 2.4 CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS ............................................................. 09 2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES ....................................................... 12 2.6 O EFEITO dI / dt ......................................................................................... 12 2.7 O EFEITO dV/ dt ........................................................................................ 14 2.7.1 Circuito Snubber ...................................................................................... 15 2.8 MÉTODOS DE DISPARO DE UM SCR ..................................................... 17 2.9 MÉTODOS DE BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR ......................... ............ ............... 17 2.9.1 Comutação natural .................................................................................. 18 2.9.2 Comutação Forçada ................................................................................ 18 2.10 INFLUÊNCIA DE COMPONENTES PASSIVOS ENTRE GATE-CÁTODO .............................................................. 19 2.11 CARACTERÍSTICAS ANODO-CÁTODO DO SCR .................................. 20 2.12 EFEITOS DESTRUTIVOS ........................................................................ 23 2.13 TIRISTORES EM PARALELO E EM SÉRIE ............................................ 24 2.13.1 Tiristores em Paralelo ............................................................................ 24 2.13.1.1 Equilíbrio de Corrente Mediante Triagem ......................... ............ ......................... .................. ...... 25 2.13.1.2 Equilíbrio de Corrente Mediante Resistência ..................................... 25 2.13.1.3 Equilíbrio Equilíbrio de Corrente Mediante Indutância ....................................... 26
2.13.2 Tiristores em Série ................................................................................ 28 2.13.2.1 Equilíbrio das Tensões em Regime ......................... ............ .......................... .......................... ............... 28 2.13.2.2 Equilíbrio de Tensões no Transitório .................................................. 29 2.14 SOBRECARGA EM TIRISTORES ........................................................... 30 2.14.1 Corrente Inrush (Corrente de Pico) ....................................................... 30
2.14.2 Flashover (Disparo) ............................................................................... 31 3 TRIAC (TRIODE ALTERNATING ALTERNATING CURRENT) ............................................. CURRENT) ............................................. 32 3.1 ESTRUTURA INTERNA E SÍMBOLO DO TRIAC .......................... ............. ......................... ............ 33 3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DO TRIAC USANDO SCR .......................... ............. ................ ... 34 3.3 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO ......................... ............ ....................... .......... 35 3.4 TIPOS DE TRIAC ....................................................................................... 36 3.5 POTÊNCIA ................................................................................................. 37 3.6 APLICAÇÕES ............................................................................................ 37 3.7 VANTAGENS DO TRIAC SOBRE O SCR ................................................. 38 3.8 DESVANTAGEM DO TRIAC SOBRE SCR ........................ ............ ......................... ....................... .......... 38 4 DIAC (DIODE ALTERNATING CURRENT) .................................................. CURRENT) .................................................. 39 4.1 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO ......................... ............ ....................... .......... 39 4.2 EQUIVALENTE A DIODO ZENER ............................................................. 40 4.3 APLICAÇÕES ............................................................................................ 41 5 ETAPAS DE ACOPLAMENTO ..................................................................... ACOPLAMENTO ..................................................................... 43 5.1 TRANSFORMADOR DE PULSO ............................................................... 44 5.1.1 Características e Funcionamento ............................................................ 45 5.2 ACOPLADORES ÓPTICOS .......................... ............. .......................... .......................... ......................... .................. ...... 48 5.3 ACOPLAMENTO PARA ONDA QUADRADA ........................ ............ ......................... ..................... ........ 49 6 TCA 785 785 ........................................................................................................ 51 6.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO TCA 785 ......................... ............ .......................... ............... 51 6.2 DESCRIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO TCA 785......................... ............ ......................... ............ 51 6.3 FORMAS DE ONDA NO TCA 785 ............................................................. 54 6.3.1 COMPARAÇÃO: SAÍDA Q X SAÍDA Q ................................................... 55 7 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO ...................................................................... SÓLIDO ...................................................................... 56
1 ESTUDO DOS TIRISTORES
Tiristores são dispositivos semicondutores (na realidade Chaves Semicondutoras) constituídos por quatro ou mais camadas semicondutoras, como por exemplo, P, N, P, N. O Tiristor é um dispositivo “Biestável” que pode ser chaveado do estado de corte para o de condução e vice-versa, sendo que a posição da chave em cada um desses estados depende de realimentação regenerativa associada com a sua estrutura.
1.1 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES
-
-
SCR (Silicon Controlled Rectifier): Retificador Controlado de Silício TRIAC (Triode Alternating Current): Triodo de Corrente Alternada GTO (Gate Turn-Off): Tiristor bloqueável pelo Gate SCS (Silicon Controlled Swiches): Chave Controlada de Silício LASCR (Light Ativated Silicon Controlled Rectifier): SCR ativado por Radiação Luminosa. Os Tiristores são ainda classificados quanto a sua capacidade de condução como: Unidirecionais, quando tem polaridade definida (ânodo e cátodo), caso do SCR. Bidirecionais, quando conduzem a corrente em ambas as direções, caso do Triac.
2 SCR- RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO
O diodo controlado de silício (Silicon Controlled Rectifier- SCR) é sem dúvida o dispositivo de maior interesse, atualmente, da família de dispositivos PNPN. Ele surgiu pela primeira vez em 1956,e foi desenvolvido por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory. Algumas das áreas de maior interrese de aplicações do SCR incluem controles e relés, fontes de tensão regulada, chaves estáticas, controle de motores, choppers, inversores, cicloconversores, carregadores de baterias, circuitos de proteção, controles de aquecedores e controles de fase. Nos últimos anos, tem sido projetados SCR´s para controlar potências de ordem de 10 MW, com capacidades individuais da ordem de 2000 A com 1800 V. a faixa de freqüência atinge até 50 KHZ, permitindo algumas aplicações em altas freqüências tais como aquecimento por indução e purificação ultra- sônica.
2.1 ESTRUTURA E SIMBOLOGIA DO SCR
A estrutura do SCR consiste em quatro camadas de silício, sendo duas camadas do tipo N e duas camadas do tipo P, montadas alternadamente dando origem a três junções.
As duas regiões internas apresentam dopagem fraca, enquanto as duas regiões mais externas (laterais) apresentam dopagem mais intensa. As duas regiões
5 externas são denominadas de Ânodo ( + ) e Cátodo ( - ). Nestes pólos são inseridos terminais que servem para conduzir a corrente de carga através do Tiristor. O acionamento do tiristor, por sua vez, é realizado através de um terminal inserido em uma das regiões “internas” do componente, que apresenta dopagem fraca. Este terminal é denominado Gate, Porta ou ainda Eletrodo de Controle.
2.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SCR
Para se entender o funcionamento do SCR , recorre-se ao seu circuito equivalente com polarização direta :
Analogia a Diodos Através das figuras acima, podemos observar que, ao aplicarmos um potencial positivo ao ânodo (+) e negativo ao cátodo (-) os diodos D1e D3 são polarizados diretamente enquanto D2 está polarizado em sentido reverso. Para tensões VF positivas, a corrente é igual ao fluxo de portadores minoritários de D2 (impedância alta) até atingirmos a sua Tensão de Ruptura (VRRM – impedância baixa). Neste momento haverá condução plena e a tensão ânodo - cátodo cairá. Para tensões VF negativas, o SCR é comandado pela característica dos diodos D1 e D3 polarizados reversamente.
6 Não se obtém a condução do SCR fazendo-se a tensão VF igual a Tensão de Ruptura de D2, pois isto pode danificar o componente. Normalmente, dependendo da corrente que se fizer circular do Gate para o cátodo, o SCR passa a conduzir para diferentes valores da tensão VF. A aplicação de um potencial positivo entre Gate e cátodo polariza esta junção no sentido de condução. Os elétrons do cristal tipo N do cátodo difundem-se através desta junção. Sendo o cristal tipo P do Gate muito estreito, eles são atraídos pelo potencial da junção seguinte, que repele as lacunas mas é favorável aos elétrons. Com isto têm-se a condução de ânodo para cátodo, com elétrons vindo do cátodo ( K) e indo para o ânodo (A) e, através do efeito avalanche isto permanece, independentemente do Gate, até que a tensão de ânodo se reduza. Este fluxo de elétrons, associado à tensão entre ânodo e cátodo (VAK), pode ter Energia para realizar a “ruptura” ou quebra de ligações covalentes, por reação em cadeia. Isto justifica o fato de, para valores de VAK altos, o fluxo de elétrons que circula no Gate poder ser pequeno. Alternadamente, pode-se explicar o comportamento interno do SCR pelo modelo idealizado equivalente com dois transistores, um NPN e outro PNP.
FIG. 06 - Detalhe da transformação da estrutura de um SCR para a analogia com dois Transistores.
Ao aplicarmos ao ânodo um potencial positivo em relação ao cátodo teremos as junções J1 e J3 diretamente polarizadas e J2 inversamente polarizada. Com isto ambos os transistores estão na região de corte pois T1 não tem corrente de base (
7 IB1 = I C2 = 0, logo T2 em corte ) e T2 não tem corrente de base também ( IB2 = IC1 = 0, logo T1 em corte). Conforme o modelo de dois transistores, eles são acoplados regenerativamente e cada um excita o outro até a saturação, a partir do momento em que um pulso positivo inicial é aplicado ao terminal Gate em relação ao terminal Catodo (base de T2 em relação ao emissor de T 2). Uma vez disparado o sistema este só entrará em corte se a corrente I A for interrompida e, para que seja novamente acionado requer um outro pulso positivo no Gate. Suponhamos que o SCR está no estado de corte, isto é, I A = 0 quando um pulso positivo é aplicado a base do à base do transistor 2, este conduz, fazendo com que IC2 aumente, ora como IB1 = IC2 , o transistor 1 será forçado para a condução , fazendo com que I C1 aumente, finalmente como IB2 = IC1, o transistor 2 conduzirá fortemente, o ciclo se repetirá e rapidamente o SCR entrará em condução, sendo a corrente IA limitada pela carga, mesmo que o pulso original aplicado à base do transistor 2 seja retirado, o SCR continuará no estado de condução, enquanto for mantida a corrente IA ( significa V e RL fixos ).
8
2.3 AS CORRENTES IL E IH
Existem dois parâmetros associados à corrente de anodo do SCR que merecem consideração. A primeira delas é IL (LATCHING CURRENT), denominada CORRENTE DE ENGATAMENTO ou TRANCA. Como geralmente disparamos um SCR com pulsos no gate necessitamos saber o tempo mínimo de duração destes pulsos (tempo de turn-on). Só podemos zerar a corrente no gate quando a corrente anódica for igual ou maior que IL (IA ≥ IL). A segunda corrente é IH (HOLDING CURRENT), denomina-se CORRENTE DE MANUTENÇÃO. Esta corrente é menor valor que deve fluir no anodo sem que o SCR bloqueie. É bom colocar que IL é aproximadamente igual a 2 IH. O tempo necessário para o pulso no gate é o tempo necessário para que a IA seja, igual ou maior a IL, dependendo da carga controlada pelo SCR, bem como do circuito de disparo.
5 IG MÍN 2 IG MÍN
10 20 30 40 50
Duração do pulso(µs)
Corrente de Latching em função da corrente de gate. A corrente de engatamento depende da duração do sinal de comando e da intensidade da corrente de gate, como visto no gráfico acima. Um circuito indutivo limita a subida da corrente, nesse caso será necessário ter impulsos mais longos que nos circuitos puramente resistivos.
9 2.4 CARACTERÍSTICAS DINÂMICAS
Quando se aplica um pulso positivo de tensão no gate do tiristor e este esteja polarizado diretamente, a tensão VAK não cai instantaneamente,existe um tempo de atraso para caracterizar a troca de estado chamado TEMPO DE DISPARO (tgt). O tempo de disparo (tgt) compreende o começo da subida do sinal do gate (10%) e o instante em que a tensão de Anodo vale 10% o seu valor inicial e, este tempo pode ser dividido em dois outros tempos:
-
td (DELAY TIME) – TEMPO DE ATRASO a subida de corrente, é o tempo calculado entre o começo da subida do sinal de gate (10%) e o instante em que a tensão Anódica Vale 90% da seu valor inicial.
-
tr(RISE TIME) – TEMPO DE SUBIDA DA CORRENTE. É a diferença entre o tempo de disparo e o tempo de atraso. tr = tgt - td Conclui-se que para garantir o disparo do tiristor o pulso de corrente no gate deve ter duração mínima igual ou superior a tgt.
10
Curva Dinâmica de disparo Dados: VG = TENSÃO DE GATE t = TEMPO VAK = TENSÃO ANODO-CATODO td = DELAY TIME (TEMPO DE RETARDO) tr = RISE TIME (TEMPO DE SUBIDA) tgt = TEMPO DE DISPARO (GATE) O tempo de atraso na subida (tr), diminui quando se aumenta: - A amplitude e a subida da corrente de gate. (Fig. 1A); - A tensão Anodo - Katodo ( Fig. 1 B); - A temperatura. O tempo de subida (tr) depende da amplitude e subida da corrente de anodo ( dIA / dt) (Fig. 1C), bem como a temperatura. Esses são parâmetros que influem na velocidade de Propagação do plasma sendo que praticamente não há influência de gate.
11
Fig. 1A
Fig. 1B
V AK (V) 30 50 A
500 A
2
4
6
8
10
12
t
GT
Fig. 1.C(µs)
Os tiristores de uma série apresentam valores de tempo de disparo bastante diferentes. Nas montagens que exigem precisão no instante de disparo, por exemplo, tiristores colocados em série ou paralelo, os pulsos devem ter amplitude de cinco vezes o valor mínimo, com o tempo de subida na ordem de 0,5 µs. Normalmente tgt varia de 1 µs a 6 µs sendo que o pulso de disparo deve durar pelo menos 10 µs, preferencialmente na faixa de 20 µs a 100 µs. Após o disparo do tiristor o gatilho não terá mais nenhuma ação. O tiristor se desativa ao final do ciclo de Alternância Positiva ou quando se aplica sobre ele uma Tensão VAK menor que zero (0). O tempo de corte (tQ) (TURN OFF TIME) é definido como tempo de corrido entre o instante em que a corrente principal (Corrente Anodo-Catodo) cai a zero, devido a comutação do circuito externo, e o instante onde o tiristor pode novamente suportar uma determinada tensão de Anodo sem entrar em condução.
12 2.5 CLASSIFICAÇÃO DOS TIRISTORES
- TIRISTORES RÁPIDOS: tq menor 10 µs – 800 VAK - TIRISTORES NORMAIS: Tq até 100 µs – 30 VAK a 350 VAK. Logo é o OFF TIME que limita em freqüência um TIRISTOR.
2.6 O EFEITO dI / dt
O efeito dI / dt pode ser descrito do seguinte modo: assim que o SCR é disparado ele não entra em condução plena instantaneamente. Inicialmente, a zona de condução se restringe a uma área próxima da porta, e esta área vai se propagando, com velocidade finita. Assim, deverá ir existindo uma área proporcional a medida em que a corrente vai aumentando com o tempo. Entretanto, se a um SCR for imposta uma taxa de crescimento da sua corrente Anódica (dIA / dt) maior que a especificada, haverá uma densidade de corrente muito elevada, que provocará aquecimento localizado ( HOT SPOT) na pastilha de silício, danificando o SCR. Portanto a taxa de d IA / d t deve ser limitada a um valor seguro para o SCR considerado. Na prática, o crescimento da corrente anódica pode ser limitada com a adição de um indutor em série com SCR (Anodo do SCR).
Esta técnica de limitação de d IA /d t é muito utilizada. Principalmente quando o SCR trabalha em sistemas de Potência. Deve-se também tomar cuidado com a redução de d I/d t, porque se esta taxa baixar muito devido ao indutor adicional o disparo SCR ficará comprometido. Assim
13 sendo, a corrente anódica levará mais tempo para alcançar o valor de latching (corrente de engate), necessitando-se neste caso de um pulso de disparo com duração maior. Estas condições são válidas também para o TRIAC, porque o princípio de funcionamento deste dispositivo é baseado no mesmo princípio de funcionamento do SCR, podendo, entretanto, ser disparado nos dois sentidos. Exemplo de cálculo do indutor: Segundo Faraday: є =
e Φ = LI
Onde: Φ é o fluxo magnético no indutor e equivalente ao valor da indutância vezes a intensidade de corrente. Logo: Є=-L
ou L =
Exemplo prático:
x 127 Considerando o circuito acima, supondo dI/dt máx = 100A/µs. L = -є
L = - (-
x
)=
14 2.7 O EFEITO d V/ dt
Sabe-se que o funcionamento de um SCR pode ser compreendido mais facilmente utilizando-se o modelo, onde faz uma analogia desse dispositivo com dois transistores bipolares um “NPN” e “PNP”. As figuras 1A e 1B mostram a constituição básica de um SCR e a interligação dos dois transistores do referido modelo equivalente para efeito análise. FIGURA.1.A
Constituição fisica básica do SCR Quando o SCR é polarizado diretamente a junção (J2) (Junção “PN” do centro) inicialmente polarizada em sentido inverso apresenta uma capacitância, representada por “C” na Figura Com a aplicação “BRUSCA” da tensão (degrau de tensão, por exemplo, entre Anodo e Catodo, flui pela Capacitância “C” uma corrente dada:
I = C.
15 Se esta corrente for suficiente para estabelecer a condição de disparo, o SCR conduz mesmo que a corrente de porta seja nula. Assim, pode-se concluir que variações muito rápidas de tensão entre anodo e catodo poderão disparar o SCR aleatóriamente. Colocando-se um resistor em paralelo entre a porta e o catodo a sensibilidade e este efeito pode ser enormemente diminuído porque o resistor adicional oferece um caminho para passagem, de corrente capacitiva. Outra maneira de contornar o problema “é amortecer” a subida de tensão, ou seja, limitar d v/ d t. Este amortecimento pode ser conseguido utilizando-se um circuito RC, conhecido por circuito SNUBBER, no que concerne ao amortecimento da tensão aplicada (ligado em paralelo com Anodo e Catodo).
2.7.1 Circuito Snubber
Amortecimento de Tensão (Limitação de d v / d t).
Ação de circuito SNUBBER ao amortecimento da tensão aplicada.
16 O circuito SNUBBER, além de limitar d v/ d t facilita também o disparo do SCR sob cargas indutivas, aparece quando o pulso de disparo termina antes que a corrente através da carga tenha atingido o valor de LATCHING. O SNUBBER reduz este risco, porque este fornece um pulso de corrente (descarga de C) que se soma à corrente de carga, aumentando as chances de se alcançar o valor de LATCHING. A Figura mostra a contribuição do SNUBBER na formação de Corrente Anódica total, nesta Figura aparecem duas correntes notáveis. São elas: A – CORRENTE DE LATCHING B – CORRENTE DE HOLDING
Efeito do SNUBBER na formação da CORRENTE ANÓDICA.
17 2.8 MÉTODOS DE DISPARO DE UM SCR
Um SCR é disparado (entra em condução) quando aumenta a corrente de anodo IA, através de uma das seguintes maneiras: Corrente de Gatilho IGK: é o procedimento normal de disparo do SCR. Sobretemperatura: Sobretemperatura: O aumento brusco da temperatura aumenta o número de pares elétrons-lacunas no semicondutor provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução. O disparo por aumento de temperatura deve ser evitado. Sobretensão: Sobretensão: Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da tensão de ruptura direta máxima VDRM (VBO), fluirá uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de condução. Degrau de Tensão dv/dt ( ∆V/ ∆t): Se a taxa de crescimento da tensão ânodocátodo VAK no tempo for alta (subida muito rápida da tensão VAK) pode levar o SCR ao estado de condução. Luz ou Radiação: Radiação: Se for permitida a penetração de energia luminosa (luz) ou radiante (fótons, raios gama,nêutrons, prótons, elétrons ou raios X) nas junções do semicondutor, haverá maior combinação de pares elétrons-lacunas, provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução. É o caso do SCR ativado por luz, chamado foto-SCR ou LASCR ( Light-Activated Silicon Controlled Rectifier ). ).
2.9 MÉTODOS DE BLOQUEIO OU COMUTAÇÃO DO SCR
O desligamento de um SCR é chamado de Bloqueio ou Comutação. O SCR é uma chave de retenção, ou seja, uma vez disparado e conduzindo, o gatilho perde o controle. A única forma de bloquear um SCR é reduzir a corrente de ânodo IA para um valor menor que o valor da corrente de manutenção IH durante um certo tempo. Este é o tempo necessário para o desligamento do SCR, toff.
18 Devemos portanto lembrar: Diodos e SCR’s somente bloqueiam quando praticamente é extinta a corrente entre ânodo-cátodo e não por aplicação de tensão reversa. Para um SCR comutar, ou seja, passar do estado de condução para o estado de não condução, também chamado de bloqueio, a Corrente de Ânodo IA deve ser reduzida a um valor abaixo do valor da corrente de manutenção IH, durante um certo tempo. O tempo de desligamento é da ordem de 50 a 100 µs para os SCR normais e de 5 a 10µs para os SCR rápidos.
2.9.1 Comutação natural
A Comutação Natural acontece quando a Corrente de Ânodo IA for reduzida a um valor abaixo da Corrente de Manutenção IH.
2.9.2 Comutação Forçada:
Em circuitos de corrente contínua a tensão permanece positiva no ânodo. Como a corrente não diminui naturalmente, deve-se provocar a redução da Corrente de Ânodo através da Comutação Forçada. Há duas formas f ormas para isso:
19 • Desviando-se a corrente por um caminho de menor impedância provocando IA < IH; • Aplicando-se tensão reversa e forçando-se a operação na região de polarização reversa. Note que isso também fará IA < IH.
2.10 INFLUÊNCIA DE COMPONENTES PASSIVOS ENTRE GATE-CÁTODO
Elementos passivos podem influenciar na característica de disparo de tiristores quando colocados entre o gate e o cátodo do mesmo. a) Efeitos de uma resistência entre gate e cátodo. •
Reduz a sensibilidade do gate. Os tiristores de baixa potência e grande sensibilidade são disparados com correntes baixas. Coloca-se uma resistência entre gate e cátodo para evitar disparos intempestivos devido a pequenas correntes de fuga originadas pelo aquecimento do dispositivo e dv/dt. • Aumenta
as correntes de holding (I H) e de latching (IL), pois há um desvio de corrente para o circuito de gate. • Aumenta
o limite de dI/dt, pois a corrente originada por esse efeito pode ser desviada para o circuito de gate. •
Aumenta a tensão de breakover.
Reduz o tq do tiristor. Após conduzir, o tiristor precisa permanecer durante um intervalo de tempo tq com tensão negativa para garantir a efetivação do seu bloqueio antes de receber tensão positiva. •
20 b) Efeito de um capacitor entre gate e cátodo: •
Aumenta o limite de dv/dt, produzindo o mesmo efeito da resistência.
Reduz a sensibilidade do gate aos ruídos de alta freqüência. Inconveniente: Durante a condução do tiristor, o gate se comporta como uma fonte que carrega o capacitor. No estado bloqueado, a descarga do capacitor pode provocar disparos parasitas. c) Efeitos de uma indutância entre gate e cátodo: •
•
Aumenta o limite dv/dt.
•
Reduz a sensibilidade do gate aos ruídos de baixa freqüência.
•
Aumenta as corrente de holding e de latching.
Reduz o tq do tiristor. Inconveniente: a corrente negativa que aparece no circuito de gate, pode provocar o bloqueio do tiristor quando a corrente de ânodo for pequena. •
2.11 CARACTERÍSTICAS ANODO-CÁTODO DO SCR
As características tensão x corrente de um SCR, para o caso de não haver qualquer sinal aplicado ao gatilho, é mostrado na figura abaixo:
21
D
IA = corrente de ânodo VAK = tensão de ânodo-cátodo VRRM = máxima tensão reversa (repetitiva) IH = corrente de manutenção VDRM = máxima tensão de bloqueio (repetitiva) V(BO) = tensão de disparo IDRM = corrente de bloqueio no sentido direto IRRM = corrente de bloqueio no sentido reverso Quando o SCR é polarizado inversamente, sua característica é semelhante a de um diodo comum polarizado inversamente. Na polarização inversa, o SCR apresenta uma impedância muito alta, e só uma pequena corrente reversa, I RRM, flui através dele. Esta corrente permanece pequena até que a tensão aplicada atinja a tensão inversa de “Breakdown”, V RRM. Quando esta é atingida, rompe-se o potencial da junção intermediária, e a corrente aumenta bruscamente, do cátodo para o ânodo (é o principio utilizado no diodo Zener, porem, no Zener é reversível enquanto que no SCR podemos danificar o dispositivo). Quando polarizado diretamente, o SCR é eletricamente biestável, isto é, possui dois estados estáveis, podendo apresentar impedância elevada ou
22 impedância muito baixa. Na situação de impedância elevada (desligado, corte ou bloqueio) na polarização direta, uma pequena corrente direta do bloqueio (I DRM) circula pelas junções PNPN, a qual é praticamente do mesmo valor que a corrente reversa de bloqueio (I RRM). Conforme se aumenta o valor de tensão, com um determinado valor, a corrente aumenta rapidamente e o SCR se comuta para o estado ligado. Essa tensão em que a corrente passa a aumentar rapidamente é chamada de tensão direta de “Breakover” ou tensão de disparo (V (BO)). Quando a tensão direta excede o valor de “Breakover”, a diferença de potencial sobre o SCR decresce abruptamente para um valor muito pequeno, sendo limitada a corrente pelo circulo externo (carga) e permanece assim na condição de ligado até que IA≤IH, quando a corrente de manutenção então retornará para a condição de desligado. A tensão de “Breakover” pode ser controlada pela injeção de um pequeno sinal no gate. Quando a corrente de gate ( I GT) for zero, a tensão de “Breakover” é alta e, conforme a corrente de gate aumenta, a tensão de disparo diminui até que o dispositivo conduza.
Curvas características de VBO em função de IG
23 A justificativa reside no fato de que uma quantidade maior de portadores na região de gatilho permite que o fenômeno de avalanche que dá início ao processo regenerativo que mantém o SCR em condução, ocorra em um valor da tensão V AK. Quando a corrente de gate é muito alta, pode ocorrer a descarga (“Breakover”) em uma tensão tão baixa que a característica do SCR se assemelha a um simples diodo P-N. Uma vez disparado, o gate não terá mais controle sobre a corrente de ânodo. O único processo para levar o dispositivo novamente no estado de bloqueio, será reduzido sua corrente de ânodo a um valor menor que I H.
2.12 EFEITOS DESTRUTIVOS
Os efeitos destrutivos são os motivos pelos quais pode-se danificar um tiristor. Efeito dI/dt: com um fraco sinal de gate, o efeito dI/dt pode causar aquecimento localizado na junção gate-cátodo pois com pequeno número de portadores majoritários, o canal de condução inicial também é pequeno. Sobretensão: é causada pelo excesso de tensão entre ânodo-cátodo, tanto direta quando reversa. Degradação térmica: esta ocorre quando existe elevada corrente de fuga que aumenta exponencialmente com a temperatura. Corrente de surto: nem toda área de cátodo possui um contato com a base metálica ( dissipador), para certos tiristores. Assim o calor gerado devido à corrente de surto (dI/dt) não será transmitido pela área sem contato com a base metálica. Dependendo do calor, esta área será danificada. Potência excessiva no gate: elevando-se demais o sinal de disparo, este poderá curto-circuitar a junção gate-cátodo. Polarização negativa no gate: aplicando-se um pulso de tensão negativa no gate, este drena corrente do ânodo (quando em polarização direta) ou do cátodo (quando em polarização reversa), destruindo a região de carga especial central de SCR.
24 2.13 TIRISTORES EM PARALELO E EM SÉRIE
Para se obter correntes elevada (acima de mil ampéres), tiristores ou diodos são ligados em paralelo. O número de tiristores em paralelo não é determinado somente pela condição de carga em regimento contínuo, mas também pelas condições de falha ou sobrecarga do circuito.
2.13.1 Tiristores em Paralelo
Quando tiristores são ligados em paralelo, deve-se certificar que as correntes que os atravessam são, tanto quanto possível, iguais. Se dois tiristores estão em paralelo entre os pontos A e B, a tensão V AB é evidentemente a mesma para os elementos, mas as correntes dependem da impedância dos circuitos e, sobretudo, das características estáticas dos mesmos.
Tiristores em paralelo O problema da associação em paralelo de tiristores é devido basicamente à repartição de corrente nos estados de condução, bloqueio e disparo. Entre os métodos utilizados para balancear a corrente nos tiristores destacam-se três que serão descritos a seguir:
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2.13.1.1 Equilíbrio de Corrente Mediante Triagem
É impossível igualar os semicondutores para todas as correntes e temperaturas a junção. Dessa forma, são escolhidos elementos com mesma queda de tensão para a corrente nominal e para a temperatura da junção correspondente a essa corrente. Esse procedimento não evita as dificuldades de manutenção como por exemplo, a substituição de um elemento. Além do que, mediante uma sobrecarga acidental, a repartição de corrente certamente não será uniforme. Para os tiristores em particular, a dispersão dos tempos de disparo deve ser conduzida através de triagem sobre esse parâmetro e de maximização de corrente de gate. Convém lembrar que os sinal de gate devem permanecer até que todas as unidades entrem em condução.
2.13.1.2 Equilíbrio de Corrente Mediante Resistência
Pode-se inserir uma resistência de baixo valor em série com o semicondutor de maneira a equilibrar as correntes, pois a queda de tensão Ri predomina sobre as diferenças de características. Esse procedimento poderia dispensar a triagem precedente, mas requer um novo balanceamento a cada substituição de um elemento. Evidentemente, constitui uma solução que deteriora o regimento da instalação.
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Equilíbrio de corrente por resistência 2.13.1.3 Equilíbrio de Corrente
Mediante Indutância
Não adianta equilibrar os circuitos com indutâncias puras, pois estas seriam eficazes somente durante a subida de corrente e inoperantes para corrente constante. O procedimento mais interessante consiste em equilibrar as correntes por acoplamento de indutâncias. A restrição maior desse método será quanto ao custo de peso, para o caso de vários elementos em paralelo. No caso de tiristores, existe ainda o problema de que se uma unidade dispara primeiro, a tensão terminal diminui ( 1V), e os demais elementos, por insuficiência de tensão, retardarão a disparar, ou ainda, não conseguirão entrar em condução. Por isso, a indutância em série L com cada tiristor deve também conter a tensão terminal durante algum tempo.
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Equilíbrio de corrente por indutância A diferença ocorre entre o primeiro e o último elemento disparado vale: �I =
AB .
Sendo �t a dispersão entre os tempos de disparo. Para diminuir as discrepâncias em corrente, é desejável que as indutâncias sejam ligeiramente resistivas para, após o disparo, exercerem o papel das resistências discutidas anteriormente. Um dos problemas da conexão em paralelo de tiristores ocorre quando a corrente de carga cai para um valor baixo, acarretando o bloqueio de um ou mais tiristores. Se ocorrer um aumento de corrente subseqüente, os tiristores que permaneceram em condução sofrerão sobrecarga. Esse problema pode ser resolvido por pulsos contínuos no gate durante a condução.
28 2.13.2 Tiristores em Série
Quando a tensão de alimentação de um circuito a semicondutores for maior do que a tensão nominal do semicondutor, dois ou mais desses dispositivos devem ser colocados em série para repartir a tensão. No funcionamento em série de tiristores deve-se verificar que as tensões a que estão sujeitos seja compatível com as características. A tensão deve ser repartida igualmente entre os dispositivos. Isso constitui um problema difícil da associação em série de semicondutores, pois as sobretensões em jogo são muito altas. Será tomado como exemplo o tiristor nas duas condições de funcionamento: regime e transitório. As precauções a serem tomadas estão relacionadas com estas duas condições.
2.13.2.1 Equilíbrio das Tensões em Regime
Por regime subentende-se que o tiristor esta em estado de bloqueio (direto ou inverso) ou em estado de condução . Durante a condução, não existe problema de repartição de tensão visto que todos os tiristores conduzem. Durante o bloqueio, direto ou inverso, o tiristor apresenta uma impedância bastante elevada (da ordem de MΩ), e é suficiente repartir a tensão colocando uma resistência (de alguns kΩ) em paralelo com cada elemento para obter um divisor potenciométrico, a corrente que circula pela resistência é maior do que a corrente de fuga dos tiristores. A repartição da tensão será, então, independente da corrente de fuga.
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2.13.2.2 Equilíbrio de Tensões no Transitório
A condição de transitório significa que o tiristor está conduzindo ou bloqueando. Para se obter o equilíbrio dinâmico das tensões, uma pequena resistência (não indutiva) e um capacitor, ligados em série, são colocados em paralelo com tiristor. Quando um tiristor começa a conduzir (ou entra em extinção), isso constitui um degrau de tensão que se repercute sobre os outros elementos em série, mas com variação atenuada pelos circuitos RC. A tensão nos terminais dos elementos não disparados sobe com certa inclinação, em função da tensão e dos valores de RS e C S. A resistência RS deve limitar a descarga do capacitor C S através do tiristor quando este entra em condução.
Equilíbrio de tensões na conexão em série de tiristores Todos os tiristores devem ser disparados ao mesmo tempo quando os sinais de gate são aplicados simultaneamente. Para isso, a amplitude dos sinais de gate deve ser a máxima permitida. E, também, uma indutância é colocada em série com o circuito para atrasar a subida da corrente de ânodo até que todas as unidades conduzam.
30 Finalmente, uma triagem precedente dos elementos junto ao fabricante deve garantir tempos de disparo, bem como de extinção, muito próximos.
2.14 SOBRECARGA EM TIRISTORES
O tiristor pode sofrer dois tipos de sobre-cargas quando em uma lâmpada Incandescente a carga controlada, além do efeito d i / d t e dos efeitos destrutivos já estudados.
2.14.1 Corrente Inrush (Corrente de Pico)
A corrente inrush acontece pelo fato da resistência a frio do filamento da lâmpada ser muito menor que a resistência a quente, por exemplo, se o TRIAC é disparado no instante da máxima tensão da rede, a corrente INRUSH pode atingir de 10 a 15 vezes a corrente normal de operação. Fig.4. Porém se o disparo for feito no instante em que a tensão é próximo de zero esta corrente atinge no máximo 5 vezes a corrente normal.
31 2.14.2 Flashover (Disparo)
Ocorre quando o filamento da lâmpada se rompe. Devido a ionização existirá um arco voltaico entre os dois terminais do filamento que se rompeu e a corrente é limitada pela impedância da rede. Fig.5.
I
I
hxl nominal
t
t
Para amenizarmos efeitos INRUSH e FLASHOVER algumas já vem com resistores e fusíveis.
3 TRIAC (TRIODE ALTERNATING CURRENT)
O TRIAC (TRIODE ALTERNATING CURRENT), é um dispositivo semicondutor bidirecional, construído de três terminais (TRI), para corrente Alternada (A.C.). Sendo dos três terminais dois de potência (A1 e A2) e um de controle (GATE), que pode receber tanto pulsos positivos como pulsos negativos para o tiristor entrar em condução. O Triac é utilizado como comutador de corrente alternada sendo que com maior eficiência nos controladores de onda completa, tanto em controle de potência por ciclo integral como por fase. O princípio de funcionamento do Triodo para Atuação em Corrente Alternada é o mesmo do SCR.
33 3.1 ESTRUTURA INTERNA E SÍMBOLO DO TRIAC
Assim como no SCR, emprega-se aqui uma pastilha mono cristalina de silício, na qual se difundem quantidade de outros elementos a fim de se criar várias regiões de tipos “P” e “N”. Observando-se a figura abaixo, nota-se a primeira vista que entre “A1” e “A2”, existe um elemento “PNPN” em paralelo com um “PNPN” e ainda uma ilha de material tipo “N” próximo ao GATE.
Pela estrutura interna, podemos observar que o terminal de gate está próximo de A, que é considerado o terminal de referência para qualquer tipo de ligação. Os terminais A1 e A2 estão conectados nas duas regiões P e N ao mesmo tempo, daí bidirecionalidade.
34 3.2 CIRCUITO EQUIVALENTE DO TRIAC USANDO SCR
Como podemos observar na figura 2 o triac pode ser representado por dois SCR’s em antiparalelo. Quando um SCR encontra-se cortado o outro encontra-se em condução e viceversa. Logo ele conduzirá nos dois semiciclos da corrente alternada. A vantagem do uso do triac em relação a dois SCR’s em anti-paralelo é a simplicidade do circuito de disparo. A substituição imediata de um triac por dois SCR’s conforme a figura A não é possível pois este modelo apresenta duas falhas: 1ª - Não temos como explicar o disparo por pulsos negativo; 2ª - Como nos SCR’s a referência é o catado, teríamos que curto cicuitá-los para termos uma única referência. Porém de acordo com a figura B utilizam-se transformador de pulso para isolarmos eletricamente os gate do SCR é possível a substituição de um triac por 2 SCR’s.
Fig. A
Fig. B Circuito Equivalente Do Triac Usando Scr
35 3.3 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO
Independentemente do quadrante de operação 1º ou 3º o TRIAC pode ser disparado por pulsos positivos ou negativos no seu gatilho de controle. Em quanto não houver sinal no gate, o triac permanece em estado de bloqueio desde que a tensão entre seus terminais de potência não ultrapasse a tensão de disparo discreto (VBO). Ao ser ultrapassada a VBO, este entra em condução sendo a corrente através dele limitada somente pela impedância do circuito. Variando-se a corrente de gate pode-se variar VBO, isto é, a tensão de disparo do triac e desta maneira modular a sua condução.
IL IH 1H
VA VBO
IL CURVA CARACTERÍSTICA DO TRIAC
Quando a polarização, costuma se dizer que o triac opera nos quatro quadrantes. Tomando como referência o terminal A1. Os quatro quadrantes são definidos pela polaridade de A2 e do gate conforme fig.3.
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QUADRANTE
A2
G
I
V > 0
V > 0
II
V > 0
V < 0
III
V < 0
V < 0
IV
V < 0
V > 0
OBS: Comportamento em relação a A1 (terminal ref.) Os quadrantes nos quais o TRIAC é mais sensível, são aqueles que o A2 e gate apresentam mesma polaridade.
3.4 TIPOS DE TRIAC
A – TRIAC’S que admitem tanto pulsos positivos como negativos no seu gate (em relação a A1). B – TRIAC’S que só admitem no gate pulsos de mesma polaridade que A2 (em relação a A1).
37 3.5 POTÊNCIA
O TRIAC quando em condução apresenta uma tensão entre seus terminais em torno de 2v. Esta tensão multiplicada pela corrente conduzida nos dá, a quantidade de calor que o mesmo está dissipando.
� � �� � �
3.6 APLICAÇÕES
O TRIAC assim como o SCR são eficientes controladores de potência no acionamento de cargas resistivas como lâmpadas incandescentes, resistências de fornos, ebulidores e outras, como também em cargas indutivas como motores universais, de indução, sistemas de proteção, alarmes, etc. O controle pode ser por fase ou por ciclo integral, a diferença está na simplificação e custo reduzido no uso do TRIAC. Apesar da bidirecionalidade do TRIAC , o mesmo não compete com o SCR quando se trata de controle de grandes correntes.
38
CONTROLE DE POTÊNCIA POR FASE
3.7 VANTAGENS DO TRIAC SOBRE O SCR
Relação custo benefício, bidirecionalidade.
3.8 DESVANTAGEM DO TRIAC SOBRE SCR
Apesar da bidirecionalidade do triac, o mesmo não complete com o SCR quando se trata do controle de grandes correntes pois há SCR para quase 10KA em quanto os triac’s não ultrapassam poucas centenas de Ampére.
4 DIAC (DIODE ALTERNATING CURRENT)
Possui dois terminais de funcionamento T1 e T2 funcionando como um diodo avalanche bidirecional passando do bloqueio à condução com qualquer polaridade de tensão aplicada a seus terminais. Possui três camadas semicondutoras, mas não tem o comportamento do transistor devido a sua dopagem.
4.1 CURVA CARACTERÍSTICA E FUNCIONAMENTO
O DIAC atua como uma chave que liga quando a tensão de seus terminais alcança a tensão de disparo VBO, sendo que depois de disparado a tensão em seus terminais cai para um determinado valor, pois o DIAC entra na região de resistência negativa e tente a se estabilizar. O DIAC possui sua tensão de disparo (VBO) situa-se entre 27 a 42 volts podendo variar ± 10% destes valores.
40
Curvas características do DIAC e Zener
4.2 EQUIVALENTE A DIODO ZENER
O DIAC pode ser considerado como dois diodos zener em oposição conectadas em série. Se a tensão for aplicada ao DIAC, por exemplo o sentido direto do diodo D1, a corrente será a pequena corrente de fuga inversa do diodo D2 Quando a tensão aumenta haverá somente um ligeiro aumento na corrente até que a tensão de ruptura do diodo D2 seja alcançada. A corrente aumenta rapidamente e a tensão cai ao valor de trabalho (Vw). Nesta condição o DIAC esta conduzindo e a corrente só será limitada pelo circuito externo. Quando a tensão aplicada for removida o DIAC retorna ao estado de não condução. Se a tensão do DIAC for no sentido direto do diodo D2, uma ação semelhante ocorre, porém, com sentido contrário.
Circuito Equivalente do Diac a Diodo Zener
41 4.3 APLICAÇÕES
O DIAC é geralmente utilizado para disparo tiristores, para proteção de instrumentos contra sobre tensão e geração de dente de serra. Veja na figura a disposição de um Triac com um DIAC. É também chamado de quadrac.
O Diac serve como elemento de disparo do Triac por apresentar uma tensão fixa de condução, permitindo dessa forma maior precisão no ângulo de disparo do TRIAC. O circuito abaixo apresenta, dupla rede defasadora, isto é, duas constantes de tempo permitindo maior faixa de atuação no controle de potência por fase.
Fig. 7 Controle de Potência por Fase com o Diac As vantagens de se utilizar dupla rede defasadora RC consiste na possibilidade de se atingir ângulos de disparo maiores e desta maneira operar com baixíssimas
42 tensões sobre a carga. A diminuição do fenômeno de histerese também se faz notar aumentando a estabilidade no disparo do tiristor. Quando a rede defasadora RC é simples a histerese é notada mais nitidamente para grandes ângulos de disparo. Em cada disparo do TRIAC o capacitor da rede RC (deslocador de fase) se descarrega numa dada proporção. Por ele não se obtém um deslocamento de fase completo pois em cada semi-ciclo soma-se o efeito de cruzamento do ângulo de disparo até chegar a um equilíbrio no circuito, portanto, não se pode chegar a ângulos de disparo próximos de 180°, ou seja, não se pode diminuir a potência sobre a carga a um valor menor do que um mínimo determinado. Em um circuito com dupla rede defasadora pode–se teoricamente chegar a ângulos de disparo de 270°, isto é, 90°no semi-ciclo segui nte e portanto o fenômeno da histerese é muito menos notado.
5 ETAPAS DE ACOPLAMENTO
De acordo com os parágrafos anteriores, o sinal de gate deve possuir uma característica VG x IG que não passe pela zona de disparo incerto. A corrente de gate deve ser suficiente para que a corrente no tiristor atinja o valor da corrente de latching. Não é necessário manter a corrente de gate no seu valor de pico por toda a duração do sinal. Essa corrente pode decrescer, sem inconvenientes, alguns µs depois de seu início, desde que o ponto de funcionamento não entre na zona de disparo incerto (IG < IGmin). O perfil típico de corrente de gate é ilustrado no gráfico abaixo: IG/IG min 5
1 t (us) 0,1 à 0,5
Perfil típico da corrente de gate Em geral, o sinal de gate é obtido a partir de uma tensão quadrada cuja elaboração estudaremos durante o curso. O circuito de geração do sinal de comando deve ser isolado do circuito do tiristor através de um transformador de pulso ou de um opto-acoplador. Na figura abaixo, temos o primeiro caso. O diodo D1 protege o tiristor, permitindo um caminho de desmagnetização do transformador e impedindo a aplicação de tensão reversa no gate. A resistência R 2 compõe a característica V GxIG.
44
5.1 TRANSFORMADOR DE PULSO
Componente utilizado na transferência de sinal elétrico, através do acoplamento magnético, sempre que haja necessidade de isolamento elétrico entre os circuitos acoplados.
45 5.1.1 Características e Funcionamento
Um dos requisitos mais importantes é o acoplamento entre os enrolamentos primário e secundário. É necessário que o tempo de subida do pulso elétrico de saída não seja diminuído pelo transformador assim como o tempo de descida.
Relação de transformação de tensões no transformador de pulso Existem, portanto, duas constantes de tempo. A primeira corresponde à subida de potencial e vale L2 ⁄ R2, sendo L2 a indutância de dispersão refletida no primário e R2 a resistência total do circuito secundário.É importante reduzir ao máximo a indutância de dispersão para que di/dt seja máximo. A segunda constante de tempo corresponde a descida de potência, vale LM/R1, sendo LM a indutância do primário e R1, sua resistência. Essa constante de tempo caracteriza a capacidade de transmitir sinais de longa duração.
46 FÓRMULAS PARA DIMENSIONAR O TRAFO DE PULSO
V.t = n1. Sendo: V = TENSÃO DO PRIMÁRIO T = TENSÃO DE DISPOSIÇÃO DO SINAL N1 = Nº DE ESPIRAS DO PRIMÁRIO φ = FLUXO MAGNÉTICO
Para aumentar a duração do sinal a transmitir diminuindo-se a tensão do primário. Isto é, pode ser feito colocando-se um resistor no primário. Se a montagem necessita de sinais de longa duração ( ≈ 1ms), n1.Φ é grande, o que acarreta um valor elevado de L M (indutância própria do primário), aumenta também L2 (indutância de dispersão total). Logo, o transformador para sinais longos será maior e terá um tempo de subida menos apropriado. Para um T.P. dado (n1 e Φ fixos), pode-se aumentar a duração do sinal a transmitir diminuindo-se a tensão V do primário. Isto pode ser feito colocando-se um resistor no primário em vez de no secundário. Os T.P. usuais tem produtos V.t que raramente ultrapassam 1000Vµs. Nestas condições, é difícil conseguir sinais com duração maior de 1ms. Para sinais longos, outra alternativa é dada na próxima figura, o capacitor na base do transistor amortece as bordas do pulso de entrada de tal maneira que o pico de tensão na saída é menos agudo porém mais largo.
47
Circuito para disparo de longa duração e formas de onda. O disparo por pulsos muitas vezes é mais conveniente que por disparo CC, pois há redução na potência dissipada na junção gate- catodo e, a possibilidade de obter isolação entre o circuito de disparo e a etapa de potência. Os tiristores normalmente são especificados em termos de valores CC de tensão e corrente que provocarão o disparo dos mesmos. Para pulsos “longos”, com duração mínima de 100µs, os valores CC são aplicáveis, para pulsos curtos, os valores de IGT e VGT aumentam. Outra característica desejada é que a isolação entre enrolamentos seja elevada (na ordem de Kv), para evitar que as tensões envolvidas causem danos ao próprio transformador. Este requisito é conflitante com o forte acoplamento necessário à transmissão de sinais.
48 5.2 ACOPLADORES ÓPTICOS
NC = NÃO CONECTADO Duas são as vantagens dos opto- acopladores em relação ao transformador de pulso: •
O isolamento entre a entrada e saída do componente é de dezenas a centenas de megaohms;
•
A transmissão do sinal é unidirecional, não necessitando de componentes externos de proteção como ocorre com o T.P. quando se usa diodos. O inconveniente dos acopladores ópticos é a necessidade de uma fonte extra ligada ao gate para prover, por exemplo, a corrente do transistor como ilustra a figura:
Acoplamento optico no disparo do SCR
50 5.3 ACOPLAMENTO PARA ONDA QUADRADA
Nos casos em que não é necessário o isolamento entre o circuito de disparo e a etapa de potência e, o sinal de disparo é de forma quadrada, é conveniente fazer o interfaceamento como mostra a figura.
Interface de acoplamento e formas de onda de entrada sobre o gate. O pico de corrente no gate é determinado pelo valor de R 1 pois inicialmente o capacitor encontra-se descarregado. O tempo de descida da corrente até a estabilização em torno de IG min é dependente da constante de tempo do circuito R 1C e o valor estável de corrente é dado pela soma de R1 e R2 pois neste instante o capacitor encontra-se carregado. O tempo de descarga do capacitor é determinado por R2,, que normalmente é desprezível visto que largura do pulso de disparo (T on) é da ordem de 100µs, isto é, bem menor que o intervalo de tempo entre dois pulsos que é da ordem de 8,3ms no pior dos casos. Para calcular o circuito parte- se de R 1, que é dado por: R1 =
50 A soma de R1 com R2 é: R1 + R2 = O tempo de carga do capacitor deve ser de 4 a 5 constantes de tempo R 1C: 5R1C ≈ 0,5. 10-6
C=
=
=
6 TCA 785
O TCA 785 é um circuito integrado dedicado a circuitos de disparo de tiristores. Quando há necessidades de precisão no disparo, sincronismo com a rede de alimentação, simplificação do projeto e outras vantagens, o uso deste C.I. mostrase bastante vantajoso.
6.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS DO TCA 785
•
Largo campo de aplicação devido à possibilidade de controle externo;
•
Operação em circuitos trifásicos utilizando-se 3 CI’s;
•
Compatível com LSL, TTL, MOS, CMOS;
•
Duas saídas com correntes de 55mA e duas saídas complementares;
•
Duração de pulso de disparo determinado por capacitor externo;
•
Detecção de passagem de tensão por zero volts;
•
Indicado também como “chave de ponto zero” e conversor tensão-freqüência;
•
Possibilidade de inibição dos pulsos de disparo;
•
Faixa de tensão de alimentação de 8V a 18V;
•
Consumo interno de corrente de 5 mA.
6.2 DESCRIÇÃO E FUNCIONAMENTO DO TCA 785
O diagrama em bloco é representado na figura abaixo. O circuito é alimentado por fonte de tensão interna de 3,1 V, assegurando independência dos parâmetros essenciais das variações de tensão de alimentação VS (8 a 18V). O consumo de corrente (cerca de 5 mA) é aproximadamente constante para toda a faixa de tensão de alimentação. A tensão regulada é levada ao pino 8
52 através de uma resistência interna possibilitando nos circuitos trifásicos iguais condições para o controle de todas fases, através da ligação paralela dos CI’s, para melhorar a supressão de RF um capacitor pode ser colocado entre o pino 8 e terra.
Diagrama interno do TCA 785 A sincronização é obtida através de um detector de zero (pino 5) altamente sensível, conectado a um registrador de sincronismo. O gerador de rampa (cujo controle está na unidade lógica) consiste essencialmente de uma fonte controlada de corrente constante, que carrega linearmente um capacitor externo (pino 10, C10 ≤ 0,5 nF). A corrente desta fonte é determinada por uma resistência externa (pino 9, R 9 = 20 até 500 kΩ), o tempo de subida da rampa é assim determinado pela combinação RC. Operando com chave de ponto zero, a lógica do registrador de sincronismo gera a informação na saída do detector de zero, para ser fornecida ao circuito seguinte somente se o capacitor da rampa C 10 estiver completamente descarregado. O comparador de controle compara a tensão da rampa com a de controle V 11 (pino 11) e provoca a saída de pulsos de disparo via unidade lógica. Pulsos positivos de aproximadamente 30µs, que podem ter duração alterada através do capacitor externo no pino 12, aparecem na saída A 1 (pino 14) e A2 (pino 15). Se o pino 12 é
53 ligado a terra, a largura de pulso pode atingir até 180 º, as saídas A 1 e A2 são afetadas por meia onda, onde a saída A 2 fornece pulsos de disparo somente se a tensão de sincronização for positiva e a saída A 1 somente se a tensão de sincronização for negativa. As duas saídas (A 1 e A2) são seguidor de emissor e com corrente de 55 mA. As correspondentes saídas invertidas A 1 e A2 são em coletor aberto com corrente máxima de 1,5 mA. Se o pino 13 for ligado à terra, a largura do pulso pode atingir até 180º. Algumas saídas podem ser inibidas através do pino 6, conectando-se este à terra. Para aplicações com TRIAC’s pode-se usar saída Z (pino 7) que é a soma lógica “NOR” das funções A 1 e A2. Características da Pinagem do TCA 785. PINOS FUNÇÂO - PINO 01 → O V - Terra. - PINO 02 → Saída complementar de A2 – coletor aberto Imáx. 1,5 mA.. - PINO 03 → Saída U - coletor aberto. - PINO 04 → Saída complementar de A1 - coletor aberto Imáx. 1,5 mA. - PINO 05 → Detector de zero para sincronização. - PINO 06 → Inibidor de disparo – levando a 0 V. - PINO 07 → Saída Z- soma lógica NOR de A 1 e A2 - PINO 08 → Tensão estabilizada interna – 3,1 V. - PINO 09 → Rp – controla a corrente de carga de c p ( 20 kΩ ≤Rp ≤500KΩ). - PINO 10 → Cp – capacitor de formação da rampa (C p ≤ 500 nF). - PINO 11 → Tensão de controle – é comparada à tensão da rampa – em cada cruzamento muda a saída. - PINO 12 → Capacitor de controle da largura do pulso de disparo (+ 500 µs/nF). - PINO 13 → Comutação para pulso longo dos pinos 2 e 4 comuta com 0 V. - PINO 14 → Saída A1 – semi-ciclo negativo – seguidor de emissor – Imáz. 55 mA. - PINO 15 → Saída A2 – semi-ciclo positivo – seguidor de emissor – Imáx. 55 mA. - PINO 16 → Alimentação – 8 V ≤ Vcc ≤ 18 V.
54 6.3 FORMAS DE ONDA NO TCA 785 Gráficos: Tensão de Entrada x Tensão de Rampa x Largura de Pulso
55 6.3.1 COMPARAÇÃO: SAÍDA Q X SAÍDA Q Gráficos : Níveis de tensão nas saídas do TCA 785
7 RELÉS DE ESTADO SÓLIDO
São chaves semicondutoras utilizadas quando se requer confiabilidade, elevada velocidade de operação, dimensões físicas e peso reduzidas. É especialmente aconselhável aplicar os SSR’s em caso de presença de materiais inflamáveis, atmosferas gasosas explosivas e outras situações nas quais é indesejável o faiscamento dos relés convencionais, cotactoras ou chaves de comando. O disparo do SSR’s normalmente se faz em tensão nula e o bloqueio quando cessa a corrente, no caso mais comum quando se trabalha em CA e desta forma se evita a emissão de RFI (RÁDIO FREQUENCY INTERFERENCE). Vantagens dos SSR’s sobre Relés Eletromecânicos:
-
-
-
-
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Inexistência de partes móveis e nem parte metálicas sujeitas a corrosão; Não há aparecimento de Arco Voltaico e nem de RFI; Elevada Velocidade de Comutação; Disparo em tensão nula aumenta a vida da carga,facilmente observável em lâmpada de tungstênio; Expectativa de vida útil 20 vezes maior que as eletrônicas; Imunidade contra choques e vibrações,possibilitando instalação em qualquer posição; Facilidade de adaptação a controle eletrônico com níveis TTL ou CMOS. Desvantagens dos SSR’s em relação aos Relés Eletromecânicos. Sujeito à falhas sob condições de sobre tensão ou sobre corrente; Não proporciona isolação completa (corrente de fuga) quando bloqueado e nos casos onde aparece o SNUBBER, a isolação diminui; Existe queda de tensão de cerca de 1 a 2 volts quando em condução.
57
O circuito da figura a cima mostra a configuração típica e em blocos de aplicação deste tipo de controle de potência. O circuito de controle é que permite ou não o disparo dos tiristores, normalmente é composto por sensores, amplificadores, comparadores ou mesmo temporizadores. Para dimensionar os tiristores deve-se tomar cuidado pois a corrente eficaz sobre cada SCR não é metade da corrente eficaz sobre a carga mais sim dada pela equação: IRMS(SCR) = I RMS(carga) √2 Os SSR’s são também chamados de ZERO CROSSING SWITCH ou CONTROLE ON-OFF POR CICLO INTEGRAL. Neste tipo de controle liga-se os tiristores por vários ciclos completos e desliga-se por alguns também completos. Note que a potência sobre a carga é controlada pela relação T ON e TOFF. Isto é, relação de trabalho. Os tiristores são sempre disparados quando a tensão passa por zero, tendose assim um crescimento da corrente proporcional ao crescimento da tensão, isto é, senoidalmente. Com isso não se gera RFI e temos sempre a corrente em fase com a tensão, para o caso de cargas resistivas. Note que o controle da potência por ciclo integral é idêntico a utilização de estado sólido, apresentando mesmas vantagens e desvantagens. Normalmente falase em ciclo integral quando envolve o disparo de tiristores em intervalos de tempo compatíveis ao período da rede de CA e, em SSR quando os tempos de condução são maiores.
58 É importante considerar o parâmetro dI/dt neste caso, pois este parâmetro mede a variação da corrente no intervalo de tempo dt, isto é, a derivada da corrente. Considerando um corrente senoidal dada por: I(t)= Ip.sen.wt A primeira derivada é dado por: dI/dt=Ip.w.cos.wt Para cada t pequeno ou próximo de zero, o cosseno vale aproximadamente I, garantindo um dI/dt muito pequeno quando comparado com dI/dt do caso da potência ser controlada por fase.
