Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
A família dos dispositivos semicondutores conta com uma ampla gama de componentes que vão além dos transistores. Estes componentes são encontrados em muitas aplicações práticas, o que significa que o praticante de eletrônica deve conhecê-los.
IGBT
Este é o acrônimo para Isolated-Gate Bipolar Transistor. Trata-se de um semicondutor que é metade FET e metade bipolar. Assim, a corrente principal é conduzida entre um coletor e um emissor como num transistor bipolar, mas esta corrente é controlada por uma tensão aplicada numa comporta, como num FET.
Os IGBTs reunem as vantagens dos dois componentes e por isso podem ser usados no controle de dispositivos de potência, sendo encontrados principalmente em aplicações industriais. IGBTs são usados para controlar solenoides, motores, em fontes chaveadas e em muitas outras aplicações importantes onde o controle de altas correntes a partir de tensões é necessário.
Simbolo
O símbolo adotado para representar um IGBT é mostrado na figura 1.
O aspecto externo é o mesmo de qualquer transistor de potência comum (Bipolar ou Power MOSFET) de modo que para saber se é um IGBTs temos de nos basear no seu número de fábrica.
Especificações
Os IGBTs são identificados por números de fábrica. A partir deles podemos obter suas principais caracteristicas elétricas que são:
a) Tensão máxima entre coletor e emissor (Vce(max)) - é a máxima tensão que pode ser aplicada ao dispositivo.
b) Corrente máxima de coletor (Ic(max)) - é a máxima corrente que o componente pode conduzir quando chaveado.
c) Potência de dissipação (Pd) - é a máxima quantidade de energia que pode ser convertida em calor em cada segundo (em watts).
Onde são usados
Os IGBTs são encontrados principalmente em máquinas industriais, inversores de potência e em outros dispositivos de comutação de alta potência. Os IGBTs são sempre montados em dissipadores de calor. Nos equipamentos das instalações elétricas domiciliares os IGBTs ainda não são muito comuns.
Em muitos casos, os IGBTs podem substituir diretamente Power MOSFETs.
Teste
O teste mais simples é o de continuidade com o multímetro. A resistência entre a comporta (gate) e os demais terminais deve ser muito alta assim como a resistência entre coletor e emissor.
DIODO CONTROLADO DE SILÍCIO (SCR)
SCR é o acrônimo de Silicon Controlled Rectifier ou Diodo Controlado de SIlicio é um dos mais importantes dos componentes eletrônicos encontrados em instalações elétricas de todos os tipos pois ele pode controlar diretamente circuitos de corrente alternada.
Os tiristores são dispositivos destinados ao controle de potência principalmente em circuitos de corrente alternada. Os SCRs funcionam como chaves comutadores de estado sólido que podem controlar correntes de até centenas de amperes sob tensões que ultrapassam 1 000 volts, conforme o tipo.
Na figura 2 temos a estrutura básica de um SCR e um circuito equivalente que nos permite analisar seu princípio de funcionamento.
Na operação básica quando alimentamos um circuito com um SCR, nenhuma corrente pode circular entre o anodo e o catodo pois os dois transistores estão desligados (cortados). No entanto, se aplicarmos na comporta (gate = G) uma tensão positiva, ela faz com que o transistor NPN conduza e com isso a corrente de seu coletor vai diretamente para a base do transistor PNP que também entra em condução.
O resultado é que agora a corrente de coletor do transistor PNP realimenta o NPN e não precisamos mais de uma tensão de comporta para manter os dois transistores em condução. O conjunto "liga" e uma forte corrente pode circular entre o anodo e o catodo (A e K) mesmo depois de desaparecer o sinal de disparo aplicado em G.
Para desligar o SCR é preciso interromper por um momento a corrente ou então reduzir a corrente no circuito até o ponto em que a realimentação cesse.
Observe que o SCR funciona como um diodo, ou que quer dizer que a corrente só pode circular num sentido. O símbolo, que veremos mais adiante, é justamente o de um diodo com uma comporta. Os SCRs comuns precisam de correntes muito baixas para disparar, alguns com correntes de 100 uA, e podem conduzir correntes de diversos amperes.
Num circuito de corrente alternada, uma vez disparados os SCRs conduzem apenas metade dos semiciclos da tensão, conforme mostra a figura 3.
Recursos podem ser agregados aos seus circuitos para que ele controle os dois semiciclos da corrente alternada daí ser este componente muito encontrado em muitos aparelhos de uso domésticos alimentados pela rede de energia.
Símbolo e Aspecto
Na figura 4 temos o símbolo adotado para representar os SCRs os aspectos dos tipos mais comuns.
Especificações
Os SCRs são identi9ficados por um código de fábrica. Uma série muito comum é a TIC da Texas como tipos como o TIC106 e outros, além da série MCR como o MCR106 da Motorola. No entanto, o prefixo TIC também serve para designar outros componentes da família dos tiristores.
De posse das folhas de dados de um SCR devemos estar atento para as seguintes características deste componente:
a) Tensão máxima entre anodo e catodo - é a tensão máxima que pode ser aplicada ao SCR quando ele está desligado. Esta tensão pode variar entre 50 V e 1000 V para os tipos comuns. Em alguns tipos ela abreviada como Vrrm ou Vdrm.
b) Corrente máxima - é a maior corrente que o SCR pode conduzir quando disparado e tanto pode ser dada em valores contínuos como rms. Tipos com correntes de até mais de 50 A podem ser encontrados em algumas aplicações.
c) Dissipação - é a potência máxima que o SCR pode dissipar numa determinada aplicação, sendo especificada em watts (W).
d) Corrente de manutenção - é a menor corrente que o SCR pode conduzir sem desligar. Esta corrente é indicada também como (IH).
Outras especificações podem ser importantes em função da aplicação. Por exemplo, os SCRs também podem ser usados em fontes chaveadas ou na geração de pulsos em frequências relativamente altas. Neste caso, ao se utilizar um SCR é também preciso saber quão rápido ele pode ligar e desligar.
Onde são usados
Os SCRs podem ser encontrados numa grande quantidade de eletrodomésticos e aplicações na instalação elétrica domiciliar, comercial e mesmo industrial. Um dos circuitos mais comuns usando o SCR é o dimmer ou controle de brilho de lâmpadas que também serve como controle de velocidade para motores e de temperatura para aplicações como aquecedores, secadores de cabelo, etc.
A série 106
Uma das séries mais populares de SCRs e que pode ser encontrada numa infinidade de apicativos, principalmente ligados à rede de energia, é a formada pelos dispositivos 106. São SCRs de alta sensibilidade (60 uA de disparo) com tensões tipicamente de 200 V para a rede de 110 V e 400 V para a rede de220 V.
Estes dispositivos podem controlar correntes de até 3,2 A ou 4 A conforme a marca e são fornecidos com diversos nomes a partir dos seguintes fabricantes:
TIC106 (Texas instruments) - sufixo B para 200 V e sufixo D para 400 V
MCR-106 (Motorola) - sufixo 4 para 200 V e sufixo 6 para 400 V
IR106 (International rectifier)
C106 (General Electric)
Teste
Os SCRs podem ser testados com um multímetro. Em condições normais temos circuito aberto (alta resistência) entre anodo e catodo nos dois sentidos. Entre a comporta (g) e o catodo (C ou K) temos baixa resistência num sentido e alta resistência no sentido oposto. Um outro teste pode ser feito com um circuito experimental de disparo.
TRIACs
O TRIAC é um outro importante dispositivo da família dos tiristores. Conforme vimos a principal limitação dos SCRs está no fato de serem unidirecionais. Os TRIACs são bidirecionais podendo conduzir a corrente nos dois sentidos quando disparados. Um TRIAC pode ser comparado a dois SCRs ligados em oposição. Na figura 5 temos a estrutura equivalente a este componente e o circuito equivalente.
Os terminais MT1 e MT2 são chamados de "Main terminal 1 e Main terminal 2" ou terminal principal 1 e terminal principal 2. Podemos encontrar os TRIACs no controle de potência de motores, brilho de lâmpadas (dimmers), acionamento de solenoides e sistema de aquecimento, da mesma forma que os SCRs. Na figura 6 mostramos um circuito básico de aplicação do TRIAC.
A carga a ser controlada (motor, lâmpada, etc) é ligada ao MT1 enquanto que o MT2 vai à rede de energia. Os sinais aplicados ao terminal de controle (gate) determinam o disparo do TRIAC de modo que ele conduza a corrente que alimenta a carga.
Os TRIACS comuns precisam de apenas alguns miliamperes de corrente para disparar controlando correntes que podem chegar a centenas de amperes.
Símbolos
Na figura 7 temos o símbolo adotado para representar um TRIAC.
O invólucro é o mesmo usado pela maioria dos SCRs e são dotados de recursos para montagem em dissipadores de calor. A identificação dos terminais deve ser feita com base em informações fornecidas pelo fabricante.
Especificações
Os TRIACs são identificados por um código de fábrica e em sua função devem ser obtidas as características elétricas principais que são:
a) Tensão máxima entre MT1 e MT2 - é a tensão máxima que pode ser aplicada ao TRIAC quando ele está desligado. Esta tensão pode variar entre 50 V e 1000 V para os tipos comuns. Em alguns tipos ela abreviada como Vrrm ou Vdrm.
b) Corrente máxima - é a maior corrente que o TRIAC pode conduzir quando disparado e tanto pode ser dada em valores contínuos como rms. Tipos com correntes de até mais de 50 A podem ser encontrados em algumas aplicações.
c) Dissipação - é a potência máxima que o TRIAC pode dissipar numa determinada aplicação, sendo especificada em watts (W).
d) Corrente de manutenção - é a menor corrente que o TRIAC pode conduzir sem desligar. Esta corrente é indicada também como (IH).
e) Corrente de disparo - é a corrente necesária ao disparo do TRIAC e pode variar entre 10 mA e 500 mA para os tipos comuns conforme sua corrente máxima controlada.
Onde são usados
Os triacs são encontrados em muitos equipamentos ligados à rede de energia e até embutidos na rede de energia tais como dimmers e controles de ventilação.
Teste
A melhor maneira de se testar um TRIAC é com um circuito de prova. No entanto, com o multímetro podemos apenas detectar se ele está em curto quando alguma das medidas entre seus terminais resulta numa resistência muito baixa.
INTEFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA (EMI)
TRIACs e SCRs são dispositivos comutadores de alta velocidade. Estes dispositivos ligam e desligam até milhares de vezes por segundo. Esta comuitação pode causar um sério problema : interferência eletromagnética ou abreviadamente EMI.
EMI ou RFI (Interferência por Radio Freqüência) é a interferência causada por sinais de rádio indesejáveis que são gerados por dispositivos de comutação rápida como tiristores, motores, e muitos outros dispositivos. Estes sinais afetam a operação de equipamentos sensíveis como rádios, televisores, equipamentos de comunicações, etc.
Quando um SCR ou TRIAC é usado num controle de potência ocorrem mudanças de alta velocidade da corrente e com isso a geração de sinais num amplo espectro de frequências. A maior parte da energia irradiada se concentram no espectro das baixas frequências (até uns 2 MHz) diminuindo gradualmente mas atingindo frequências tão altas como as da faixa de FM e TV (VHF).
Esta interferência é ainda maior quando o SCR ou TRIAC controla cargas indutivas. Um circuito de proteção que minimiza a interferência é mostrado na figura 8.
O capacitor e o resistor formam um circuito de amortecimento reduzindo as oscilações de corrente no momento em que tiristor comuta. O ruído num receptor de rádio AM produzido quando um circuito que usa TRIAC ou SCRs é acionado é um exemplo deste tipo de interferência. Em televisores ela aparece como pequenos tracinhos escuros e claros que se sobrepoem à imagem.
A interferência pode alcançar receptores de rádio, televisores e outros equipamentos de duas formas. A primeira é por irradiação, sendo captada pela antena do aparelho afetado conforme mostra a figura 9.
O sinal indesejável, em geral é muito fraco, alcançando apenas alguns metros e se distribui por um espectro de frequências.
Os receptores que empregam técnicas digitais são menos afetados pois possuem recursos para não reconhecer o ruído. A segunda forma de propagação dos sinais é através da própria rede de energia, conforme mostra a figura 10.
Para se evitar o problema de interferência via rede um filtro LC (Bobina - Capacitor) pode ser usado entre o aparelho que interfere e a rede ou o aparelho interferido e a rede. No site do autor existem vários projetos de filtros que podem ser usados neste caso.
Índice:
Introdução
Parte 1 - As diferenças entre eletricidade e eletrônica
Parte 2 - Circuitos e componentes
Parte 3 - Diagramas, Símbolos e Componentes
Parte 4 - Componentes Passivos – Os Resistores
Parte 5 - Componentes Passivos – Capacitores e Indutores
Parte 6 - Componentes Passivos – Outros componentes indutivos
Parte 7 - Semicondutores – Materiais- Diodos e LEDs
Parte 8 - Transistores Bipolares e assemelhados
Parte 9 - Outros tipos de transistores
Parte 10 - Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
Parte 11 - Outros componentes da família dos tiristores – Displays e válvulas
Parte 12 - Os circuitos integrados
Parte 13 - Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Parte 14 - Diagnóstico e reparação
Parte 15 - Circuitos Práticos - Como funcionam
Parte 16 - Outros dispositivos eletrônicos
