Tiristores - Aula 5 - Ricardo Pelisson

Notas de aula de Eletrônica de Potência - Ricardo Pelisson

Aula 5

Outros Tiristores

DIAC:

Pode ser entendido como dois diodos Schokley em antiparalelo. O seu disparo ocorre quando se atinge a tensão de bloqueio em qualquer sentido, da ordem de 25 a 40 V. É usado em geral para disparar o TRIAC, em circuitos de controle de tensão CA por ângulo de disparo. Sua estrutura é PNP, e quando se atinge a tensão de ruptura, o que leva à saturação, a tensão nos terminais cai para aproximadamente 0.2 V.
O DIAC tem uma estrutura semelhante a do TRIAC, exceto que, não possui o terminal do gate (da abreviação inglesa DIODE AC)

Basicamente possui cinco camadas P e N. A figura a seguir ilustra sua estrutura interna e respectivos símbolos.

O termo anodo e catodo não se aplica ao DIAC, pois seus terminais são identificados como terminal 2 e terminal 1. Cada terminal opera como anodo ou catodo, de acordo com a polaridade da tensão aplicada.

Se T1 for mais positivo do que T2, a região N é ignorada e T1 operará como anodo; evidentemente T2 terá a região P ignorada e operará como catodo. Invertendo-se as polaridades, T1 passará a ser o catodo e T2 o anodo.

A figura a seguir mostra a curva característica de um DIAC.

VBO é a tensão de disparo do DIAC (break-over) e IBO é a corrente de disparo. Observa-se na curva característica uma simetria entre os valores positivos e negativos de tensão (1º e 3º quadrantes).

IH e VH representam a corrente de manutenção e tensão de manutenção respectivamente. Abaixo desses valores o DIAC entra no estado de não condução.

Acima de IH temos a operação permitida para o DIAC, onde o fabricante especifica como IP ou IFRM que é a corrente de pico máxima que ele pode suportar durante a condução (normalmente especificada para pulsos de duração da ordem de ms).
A figura a seguir mostra um DIAC BR100/03 fabricado pela Philips, com encapsulamento SOD27.

Especificações:
IFRM = 2ª ; VBO = 28 a 36V ; IBO = 50mA

TRIAC:

É o equivalente ao SCR, para operação em CA. A sua estrutura é a mais complexa entre os tiristores, contendo diversas regiões PNPN que atuam como travas ideais interligadas, o que permite que o disparo seja feito com tensão + ou -, e a polarização entre terminais principais 1 e 2 (análogos ao K e A do SCR) + ou - , o que é chamado operação em 4 quadrantes. A corrente de disparo é menor no quadrante 1 (gatilho e terminal principal 2 - MT2 - positivos em relação ao terminal principal 1- MT1) e maior no quadrante 4, (G + e MT2 -).
O TRIAC seria mais comum em aplicações CA se não fosse menos robusto e sensível (exige bem maior corrente de disparo), além de mais caro que 2 SCR’s ou GTO’s em antiparalelo de grandes correntes. É usado em controle de lâmpadas e motores universais, e chaveamento de cargas até uns 50A.
O TRIAC é um componente semicondutor que nasceu da necessidade de se dispor de um interruptor controlado, que apresentasse as características funcionais de um SCR, mas que permitisse o controle do ciclo completo da corrente alternada.
A palavra TRIAC é uma abreviação da denominação inglesa Triode AC que significa triodo para corrente alternada. Como o próprio nome indica, o componente dispõe de três eletrodos.

O circuito equivalente é mostrado na figura a seguir.

Para se conseguir a operação em AC, utiliza-se dois SCRs em ligação anti-paralela.
MT2 = terminal principal 2 (Main Terminal 2)
MT1 = terminal principal 1 (Main Terminal 1)
G = gate ou porta

Veja na figura a seguir a estrutura interna de um TRIAC.

Sua estrutura compõe-se de dois sistemas interruptores, sendo um PNPN e outro NPNP, ligados em paralelo. Seu circuito equivalente é composto de dois SCRs complementares, ou seja, ligados em paralelo com polaridade invertida.
Observa-se no desenho os dois eletrodos principais MT2 e MT1, que neste caso não são denominados anodo e catodo, pois trabalham com dupla polaridade na tensão alternada.
As curvas características assemelham-se as dos SCRs exceto que o TRIAC conduz nos quadrantes I e III.

A simbologia normalmente utilizada para o TRIAC é mostrada a seguir.

A figura a seguir mostra o aspecto físico de um TRIAC largamente utilizado, o TIC 226.

ESPECIFICAÇÕES PARA O TIC 226

Corrente de operação RMS = 8A
TIC 226D = tensão de trabalho: 400V
TIC 226M = tensão de trabalho: 600V
TIC 226S = tensão de trabalho: 700V
TIC 226N = tensão de trabalho: 800V

OBS: o terminal MT2 para esse tipo de TRIAC é interligado à base metálica do mesmo, a qual deve ser acoplada a um dissipador de calor, caso o mesmo opere com correntes e potências elevadas.
A figura a seguir mostra uma forma de ligar um TRIAC.
Usa-se apenas em corrente alternada (AC), e sua forma clássica de disparo é aplicando-se uma tensão positiva ou negativa no gate, o que permite fazer com que o mesmo dispare em qualquer dos semiciclos.

Tensão típica de disparo: 2V
Corrente de disparo: entre 10 e 200mA

FORMAS DE DISPARO:

Existem 4 modos diferentes para disparo de um TRIAC, levando-se em conta que o referencial é sempre o MT1.

1) Neste caso o terminal MT2 estará positivo em relação a MT1: tensão de gate positiva, provocando a entrada de corrente através deste terminal cujo sentido é considerado positivo;

2) Neste caso o terminal MT2 estará positivo em relação a MT1: a corrente de gate sai do componente e neste caso temos uma tensão de gate negativa;

3) Neste caso o terminal MT2 estará negativo em relação a MT1: e a tensão de gate positiva, ou seja, com a corrente entrando no componente;

4) Neste caso o terminal MT2 estará negativo em relação a MT1: e a tensão de disparo será através de um pulso negativo.

Nas modalidades 1 e 4 obtém maior sensibilidade de disparo para o TRIAC em relação às outras possibilidades.

Na modalidade 3 a sensibilidade é decididamente menor e na modalidade 2 é ainda mais reduzida. Na modalidade 2 somente deverá ser utilizada em TRIACs concebidos especialmente para esse fim.

ESPECIFICAÇÕES MAIS COMUNS PARA OS TRIACs:

Da mesma forma que nos SCRs precisamos conhecer alguns parâmetros dos TRIACs para o desenvolvimento de projetos:

Tensão máxima de trabalho (VDRM):
É máxima tensão que pode aparecer nos terminais de um TRIAC, quando ele se encontra no estado de não condução (desligado). Para a maioria dos casos esse valor refere-se à tensão de pico de uma tensão senoidal, já que a aplicação principal do dispositivo é em tensões alternadas.

Corrente máxima (ITRMS):
Trata-se do valor eficaz da corrente alternada

Corrente de disparo (IGT):
É a corrente necessária para disparar o TRIAC. É muito importante saber o máximo valor dessa corrente, geralmente especificada pelo fabricante, para evitar danos ao mesmo.

DIFERENÇA IMPORTANTE ENTRE SCRs E TRIACs:

A diferença mais importante entre o funcionamento de um TRIAC e de um SCR é que o SCR somente conduzirá pelo período de meio ciclo, quando for corretamente disparado, bloqueando-se quando a corrente muda de polaridade; no TRIAC essa condução se dá nos dois semiciclos e somente ocorrerá o bloqueio quando a corrente passa pelo valor zero (ou muito próximo a ele).
Isto implica numa pequena perda do ângulo de condução, mas não acarreta problemas se a carga for resistiva, onde temos a corrente em fase com a tensão.
No caso de cargas reativas (enrolamento de um motor, por exemplo), é preciso levar em conta no esquema do circuito que, no momento em que a corrente passa pelo zero, não coincide com a mesma situação da tensão aplicada. Isto acontece porque nesses momentos ocorrem impulsos de tensão entre os dois terminais do TRIAC.
es I e III. os

GTO - Gate Turn-Off Thyristor

O GTO, embora tenha sido criado no início da década de 60 [3.7], por problemas de fraco desempenho foi pouco utilizado. Com o avanço da tecnologia de construção de dispositivos semicondutores, novas soluções foram encontradas para aprimorar tais componentes, que hoje ocupam significativa faixa de aplicação, especialmente naquelas de elevada potência, uma vez que estão disponíveis dispositivos para 5000V, 4000A.
Princípio de funcionamento

O GTO possui uma estrutura de 4 camadas, típica dos componentes da família dos tiristores. Sua característica principal é sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de comandos adequados no terminal de gate.
O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR: supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate é injetada, circula corrente entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate é suficientemente fina, desloca-se até a camada N adjacente, atravessando a barreira de potencial e sendo atraídos pelo potencial do anodo, dando início à corrente anódica. Se esta corrente se mantiver acima da corrente de manutenção, o dispositivo não necessita do sinal de gate para manter-se conduzindo.
A figura abaixo mostra o símbolo do GTO e uma representação simplificada dos processos de entrada e saída de condução do componente.
A aplicação de uma polarização reversa na junção gate-catodo pode levar ao desligamento do GTO. Portadores livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do dispositivo são atraídos pelo gate, fazendo com que seja possível o reestabelecimento da barreira de potencial na junção J2.

Aparentemente seria possível tal comportamento também no SCR. As diferenças, no entanto, estão no nível da construção do componente. O funcionamento como GTO depende, por exemplo, de fatores como:
facilidade de extração de portadores pelo terminal de gate - isto é possibilitado pelo uso de dopantes com alta mobilidade
desaparecimento rápido de portadores nas camadas centrais - uso de dopante com baixo tempo de recombinação. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tensão quando em condução, comparado a um SCR de mesmas dimensões.
suportar tensão reversa na junção porta-catodo, sem entrar em avalanche - menor dopagem na camada de catodo
absorção de portadores de toda superfície condutora - região de gate e catodo muito interdigitada, com grande área de contato.

Diferentemente do SCR, um GTO pode não ter capacidade de bloquear tensões reversas.
Existem 2 possibilidades de construir a região de anodo: uma delas é utilizando apenas uma camada p+, como nos SCR. Neste caso o GTO apresentará uma característica lenta de comutação, devido à maior dificuldade de extração dos portadores, mas suportará tensões reversas na junção J3.
A outra alternativa, mostrada na figura abaixo, é introduzir regiões n+ que penetrem na região p+ do anodo, fazendo contato entre a região intermediária n- e o terminal de anodo. Isto, virtualmente, curto-circuita a junção J1 quando o GTO é polarizado reversamente. No entanto, torna-o muito mais rápido no desligamento (com polarização direta). Como a junção J3 é formada por regiões muito dopadas, ela não consegue suportar tensões reversas elevadas. Caso um GTO deste tipo deva ser utilizado em circuitos nos quais fique sujeito a tensão reversa, ele deve ser associado em série com um diodo, o qual bloqueará a tensão.

Parâmetros básicos do GTO

Os símbolos utilizados pelos diversos fabricantes diferem [3.8], embora as grandezas representadas sejam, quase sempre, as mesmas.
Vdrxm - Tensão de pico, repetitiva, de estado desligado: sob condições dadas, é a máxima tensão instantânea permissível, em estado desligado, que não ultrapasse o dv/dt máximo, aplicável repetidamente ao GTO.
It - Corrente (RMS) de condução: máxima corrente (valor RMS) que pode circular continuamente pelo GTO.
Itcm - Corrente de condução repetitiva controlável: máxima corrente repetitiva, cujo valor instantâneo ainda permite o desligamento do GTO, sob determinadas condições.
I2t: escala para expressar a capacidade de sobrecorrente não-repetitiva, com respeito a um pulso de curta duração. É utilizado no dimensionamento dos fusíveis de proteção.
di/dt: taxa de crescimento máxima da corrente de anodo.
Vgrm - Tensão reversa de pico de gate repetitiva: máxima tensão instantânea permissível aplicável à junção gate-catodo.
dv/dt: máxima taxa de crescimento da tensão direta de anodo para catodo.
IH - corrente de manutenção: Corrente de anodo que mantém o GTO em condução mesmo na ausência de corrente de porta.
IL - corrente de disparo: corrente de anodo necessária para que o GTO entre em condução com o desligamento da corrente de gate.
tgt - tempo de disparo: tempo entre a aplicação da corrente de gate e a queda da tensão Vak.
tgq - tempo de desligamento: tempo entre a aplicação de uma corrente negativa de gate e a queda da corrente de anodo (tgq=ts+tf)
ts - tempo de armazenamento


SCS:

·É um tiristor semelhante ao SCR, mas com dois terminais de disparo, gatilho de Anodo, Ga, e gatilho de catodo, Gc, permitindo disparo por pulsos negativo ou positivo, respectivamente.
·Não é muito comum, sendo geralmente de baixa potência. A sigla significa: