Conforme vimos no item anterior, uma família importante de dispositivos utilizados principalmente em controles de potência é a dos tiristores (Thyristor) ou diodos de quatro camadas.
Formados por uma estrutura em que quatro camadas de materiais semicondutores P e N são formadas, eles apresentam características de resistência negativa e de disparo muito interessantes para aplicações em controle.
Dependendo do arranjo dessas camadas de materiais semicondutores, poderemos ter diversos tipos de dispositivos que atualmente são utilizados em aplicações práticas tanto envolvendo circuitos de corrente contínua como alternada.
Estudamos no item anterior o SCR, o primeiro da família e também o GTO que é um SCR “melhorado” que pode ser desligado pela comporta.
O dispositivo que estudaremos neste item é o segundo da série, muito utilizado no controle de equipamentos ligados à rede de energia tais como dimmers, controles de velocidade de motores, variacs, etc.
Estrutura do Triac
O Triac, outro membro da família dos tiristores, pode ser considerado como um componente obtido pela ligação de dois SCRs em oposição, tendo em comum um eletrodo de disparo (gate), conforme o leitor na figura 1.
É claro que, no processo de fabricação, os dois dispositivos são obtidos de uma única pastilha de silício, conforme mostra a figura 2.
Cada um dos “SCRs” que formam o Triac já tem o seu funcionamento conhecido, de modo que podemos imaginar este componente como alguma coisa como uma “chave bilateral”, que conduz a corrente nos dois sentidos, portanto, e que pode ser disparada por um sinal aplicado ao seu elemento de comporta.
Observe que o Triac tem dois terminais principais: MT1 e MT2 e um terminal de comporta.
A curva característica do triac é mostrada na figura 3. Observe que ela equivale a dois SCRs em oposição com a característica do primeiro quadrante ”rebatida” para o terceiro.
O significado das diversas tensões e correntes que aparecem neste gráfico será explicado no item “especificações”.
O TRIAC é usado em circuitos de corrente alternada (apenas) ligado em série com a carga, conforme será possível ver na figura 4.
Para dispará-lo devemos aplicar uma tensão positiva ou negativa em sua comporta, o que permite fazer seu disparo nos circuitos de corrente alternada em qualquer dos semiciclos.
A tensão de disparo para este componente é da ordem de 2 V, e correntes típicas na faixa dos 10 mA aos 200 mA são encontradas, dependendo da potência do componente.
Os Triacs podem ser disparados de 4 modos diferentes, o que deve ser observados nas suas aplicações:
Modo I+: nesta modalidade o terminal MT2 estará positivo em relação a MT1, e a corrente de comporta tem sentido tal, que entra no componente, ou seja, Gate positiva.
Modo I-: nesta modalidade o terminal MT2 é positivo em relação a MT1, e a corrente de gate sai do componente, ou seja, temos uma comporta polarizada negativamente.
Modo III+: nesta modalidade o terminal MT2 está negativo em relação a MT1 e a comporta positiva, ou seja, com a corrente entrando no componente.
Modo III-: nesta modalidade em que temos o terminal MT2 negativo em relação ao MT1 e aplicamos um pulso negativo ao terminal de disparo.
Na figura 5 temos os modos de disparo do Triac.
Nas modalidades I+ e III- obtemos maior sensibilidade ao disparo para o Triac do que nas outras modalidades.
Invólucros
Os Triacs são obtidos nos mesmos invólucros dos SCRs, transistores de potência e MOSFETs. Em alguns casos fica difícil saber do que se trata, se é mesmo um Triac somente observando os códigos.
A Texas Instruments, por exemplo, tem uma série de SCRs e Triacs que recebem a denominação “TIP” e têm todos os mesmos invólucros. O ideal é consultar o datasheet.
Na figura 6 temos invólucros comuns para Triacs.
Como esses dispositivos são utilizados em controles de potência que operam com correntes elevadas, todos são dotados de recursos para montagem em dissipadores de calor.
Especificações do Triac
Da mesma maneira que no caso dos SCRs, precisamos conhecer as principais especificações dos Triacs para poder usá-los convenientemente.
Os limites devem ser respeitados para que o componente não venha a queimar-se.
As principais especificações que devemos observar para os Triacs são:
Tensão máxima de trabalho (VDRM)
Esta característica refere-se à máxima tensão que pode aparecer entre os terminais de um TRIAC quando ele se encontra desligado. Para os tipos comuns ela pode variar entre 50 ou 100 V até mais de 1 000 V.
Podemos especificar esta tensão também em termos de pico, para pulsos de curta duração, de modo que nos manuais aparecem as condições em que o valor é válido.
Para a maioria dos casos, entretanto, o valor refere-se ao pico de uma tensão senoidal, já que a principal aplicação do componente é justamente em circuitos ligado à rede local.
Corrente máxima IT(RMS)
Veja que o valor indicado já tem a especificação de que se trata de uma corrente rms, ou seja, o valor eficaz da corrente alternada, já que o componente normalmente operará em circuitos de corrente alternada.
Corrente de disparo IGT
Temos aqui a indicação da sensibilidade do comportamento ao disparo, sendo esta corrente especificada em termos de miliampères.
É importante também saber a intensidade máxima da corrente que podemos aplicar na comporta (gate) do TRIAC sem perigo de estragá-lo, já que em muitas aplicações são usados dispositivos especiais para esta finalidade.
Circuitos práticos
O Triac é um dispositivo indicado para operação direta na rede de corrente alternada. Nas aplicações básicas, a carga é ligada em série com o componente do lado de MT2 (terminal principal 2), conforme mostramos na figura 8.
Se o componente for usado com cargas indutivas, devemos acrescentar em paralelo ao circuito um resistor tipicamente de 100 ohms e um capacitor tipicamente de 100 nF.
Este circuito forma um snubber, que já mostramos como usar no caso dos SCRs. Na figura 9 mostramos este circuito.
A finalidade destes componentes é evitar que o defasamento da corrente que ocorre com cargas fortemente indutivas (enrolamento de um motor, por exemplo) afete o funcionamento do sistema de controle.
Na figura 10 temos um simples interruptor de potência usando um triac.
Quando o interruptor S1 é fechado, temos a corrente de disparo que “liga’ o TRIAC nos dois semiciclos da corrente alternada e que são conduzidos, alimentando assim o circuito de carga.
No entanto, nas aplicações que envolvem a variação da potência aplicada a uma carga, como vimos no caso de SCRs, devemos usar circuitos adicionais que gerem pulsos curtos de disparo.
Estes pulsos serão produzidos no início ou no final do semiciclo, conforme desejemos aplicar maior ou menor potência à carga, conforme mostra a figura 11.
Veja que o princípio de funcionamento é o mesmo dos controles de potência com SCR que vimos no item anterior, com a diferença de que obtemos um controle de onda completa.
Chegamos então ao interessante circuito de controle de potência do “dimmer” para uma lâmpada comum, visto na figura 12, e que funciona da seguinte forma:
Quando tem início um semiciclo da tensão de alimentação alternada, o capacitor C carrega-se através do resistor, até ser atingido o ponto de disparo do transistor unijunção.
Quando o transistor unijunção dispara, temos a descarga rápida do capacitor C através do enrolamento primário do transformador de pulsos usado no disparo. Este transformador, normalmente tem uma relação de espiras de 1 para 1 entre os elementos pois sua finalidade é apenas isolar o circuito de disparo do circuito do triac.
Com o pulso no primário do pequeno transformador, temos o aparecimento no secundário de um pulso de curta duração de grande intensidade, que é suficiente para disparar o triac.
Pela variação do valor de R podemos obter o pulso de disparo em qualquer ponto dos dois semiciclos da corrente alternada, e assim aplicar qualquer potência na carga, pois dispararemos o componente em diversos ângulos de fase, conforme mostra a figura 13.
Podemos elaborar um controle de potência mais simples usando um elemento de disparo que estudaremos no próximo item que é o diac.
O que este elemento faz é simples produzir um pulso de disparo para o triac quando a tensão atinge um certo valor. Com suas características de disparo rápido ele dispara melhor SCRs e Triacs, conforme veremos e assim temos um controle mais eficiente.
O circuito deste controle é mostrado na figura 14 e ele funciona de modo semelhante ao anterior: o diac produz pulsos em instantes que dependem do ângulo de fase ajustado em P1.
Quadrac
Os quadracs são dispositivos da família dos tiristores que consistem num Triac e num Diac num mesmo invólucro, conforme mostra a figura 15.
Com a utilização de um diac a tensão de disparo eleva-se e se obtém pulsos de maior intensidade para essa finalidade, o que melhora as características de comutação do triac.
Em lugar de disparar com apenas 1 ou 2 V o que ocorre com um triac, podemos fazer o disparo com tensões maiores, da ordem de 20 a 35 V, o que possibilita uma melhor característica de controle de potência.
Os quadracs são usados justamente em controles de potência a partir da rede de energia como chuveiros, dimmers, controles de motores, etc. Na figura 16 temos um circuito típico de um controle de potência usando um quadrac.
É importante observar que os triacs e quadracs são usados como controles de potência para motores e dimmers.
No entanto, como dimmers eles serve apenas para lâmpadas incandescentes que estão deixando de ser usadas. Alguns circuitos com LEDs admitem o uso deste tipo de controle, se bem que uma parte deles já possua incorporado o recurso do controle.
Interferências
O comportamento do triac como dispositivo de comutação rápida é o mesmo dos SCRs, assim uma grande quantidade de harmônicas é gerada quando ele funciona.
Estas harmônicas, que se estendem até a faixa de algumas dezenas de megahertz, podem interferir em equipamentos de comunicações como rádios, televisores analógicos da faixa de VHF e muito mais.
As interferências podem ser propagar pelo espaço na forma de ondas eletromagnéticas, caso em que os equipamentos interferentes ou interferidos devem ser blindados, ou pela linha de alimentação.
Para o caso da linha de alimentação são válidos os mesmos filtros que estudamos no capítulo anterior quando tratamos dos SCRs.
Como usar corretamente tiristores
O que veremos a seguir vale tanto para os triacs como para os SCRs que estudamos no capítulo anterior.
Triacs, SCRs e outros dispositivos de potência da família dos tiristores são bastante robustos para suportar diversos tipos de sobrecargas e até mesmo transientes, mas existe um limite para isso.
Se não forem usados corretamente, até mesmo coisas pequenas que ocorram num circuito poderá ter conseqüências graves.
Veremos a seguir diversas sugestões para se utilizar corretamente esses componentes em aplicações que envolva o controle de potências elevadas.
Os SCRs são componentes que conduzem a corrente num único sentido, apresentando uma curva característica conforme mostrado na figura 17 e que já estudamos no item anterior.
Lembramos que o SCR é disparado quando a comporta (g) se torna positiva em relação ao catodo, causando assim a circulação de uma corrente por esse eletrodo.
Quando a tensão no catodo atinge o valor Vgt, a corrente de comporta até um valor limiar denominado Igt por um intervalo muito curto de tempo, conhecido como tempo de ligamento controlado pela comporta.
No Disparo
Quando a corrente de carga atinge o valor da corrente de travamento (latching = IL) o SCR pode se manter em condução, mesmo depois que a tensão de comporta seja removida. O SCR será travado no estado ON (ligado).
Nos manuais dos SCRs, Vgt, Igt e IL são especificados para uma temperatura ambiente de 25° C. Esses parâmetros aumentam com baixas temperaturas, o que significa que o circuito de disparo deve levar em conta esses fatores, compensando-os
Para usar corretamente um SCR, levando em conta esse fato tenha em mente que:
SCRs muito sensíveis como o BT150, C106, MCR106 e outros podem tender a disparar pela corrente de fuga entre o anodo e catodo, principalmente em temperaturas mais elevadas, ou quando são alimentados por tensões mais altas.
Para se evitar que isso ocorra, pode-se adotar uma das seguintes soluções:
- Manter o Tiristor na temperatura apropriada, que segundo as especificações isso não ocorre.
- Reduzir a sensibilidade da comporta do tiristor usando um resistor entre a comporta e o catodo, conforme mostra a figura 18. Esse resistor pode ter valores entre 1 k e 47 k ohms tipicamente, dependendo do tiristor considerado.
- Se não for possível utilizar um SCR menos sensível ou reduzir a sensibilidade, aplique uma pequena tensão de polarização inversa à comporta do tiristor durante os períodos em que ele está desligado. Isso tem por efeito aumentar IL e com isso evitar o disparo com a fuga entre anodo e catodo.
No desligamento
Para desligar um tiristor, a corrente de carga deve ser reduzida a uma valor abaixo da corrente de manutenção (holding current = HL), isso por um intervalo de tempo suficiente para permitir que os portadores de carga deixem a junção.
Nos circuitos de corrente contínua isso é conseguido por uma “comutação forçada”, enquanto que nos circuitos de corrente alternada, ocorre automaticamente na passagem por zero.
A comutação forçada ocorre quando o circuito de carga tem elementos que causem uma redução momentânea da corrente até o ponto em que o tiristor precisa para desligar.
Se a corrente através do tiristor não for mantida num valor menor que IH o suficiente, ele não volta completamente ao estado de bloqueio e com isso ele não desliga. Se o tempo for o suficiente ele desliga e um novo disparo só pode ser feito aplicando-se uma tensão na comporta.
Também nesse caso IL é especificado para temperatura ambiente, tendo seu valor reduzido com o aumento da temperatura. Como regra para se usar um tiristor levando em consideração o que vimos tenha em mente que:
Triacs
Estudamos em detalhes todo o funcionamento do Triac neste item, de modo que não precisamos repeti-lo.
Lembramos então os modos de disparo tanto por correntes positivas como negativas fluindo entre a comporta e MT1.
As regras para a tensão de comporta Vgt, Corrente de comporta Igt e Corrente de carga (IL) são as mesmas que vimos para os SCRs. Com isso, é possível disparar o Tiac em quatro quadrantes, conforme já estudamos.
Quando a comporta é controlada por um circuito de corrente contínua ou unipolar, no ponto de cruzamento da corrente de carga, o disparo pela corrente negativa de comporta é preferível, pelos seguintes motivos que se seguem.
A construção interna do triac leva a uma estrutura em que a comporta está mais longe da região principal de portadores de corrente quando operando no terceiro quadrante e isso resulta em:
1. Maior corrente de pico Igt é exigida para o disparo.
2. Maior retardo entre Ig e o início da circulação da corrente pela carga. Isso faz com que pulsos mais longos de Ig sejam necessários ao disparo.
3. Menor capacidade dI/dt (taxa de crescimento da corrente). Com isso, ao se controlar correntes muito intensas temos uma corrente muito maior concentradas em pequenas áreas do chip, podendo causar sua queima progressiva. Isso ocorre, por exemplo, quando o componente controla cargas com elevada corrente inicial, tais como lâmpadas incandescentes.
Nos controles de potência comuns ligados à rede de energia como dimmers, ou controles de motores, as polaridades da comporta e MT2 são sempre as mesmas. Isso significa que o dispositivo opera sempre no primeiro e terceiro quadrantes.
Nessa modalidade de operação temos uma operação simétrica do TRIAC, onde a sensibilidade ao disparo é maior. O leitor deve então ter em mente que:
Métodos Alternativos de Disparo
Existem casos em que o disparo do triac pode ocorrer de forma indesejável.
Em alguns casos esse disparo pode levar à destruição do componente.
Analisemos os principais casos em que isso pode ocorrer e como evitá-los.
Sinal de Gate Ruidoso
Nos ambientes em que existam muitos ruídos, pode ocorrer o disparo indevido do Triac, se esse ruído levar a tensão de gate a um valor maior do que Vgt e com isso corrente suficiente circular para dar início ao estado regenerativo de disparo.
Uma primeira proteção consiste em se manter as conexões de comporta as mais curtas possíveis de modo a minimizar a possibilidade de captação dos ruídos.
Nos casos em que isso não for possível, use par trançado ou mesmo fio blindado para fazer a conexão de comporta do componente.
Uma imunidade adicional pode ser obtida com a redução da sensibilidade de comporta do triac, o que é conseguido com a conexão de um resistor de 1 k ohms a 47 ohms entre esse eletrodo e MT1.
Temos ainda a possibilidade de desacoplar a comporta, com a ligação de um capacitor de 10 nF entre esse eletrodo e MT1 de modo a desviar para a terra os pulsos de ruído.
Finalmente, existe ainda a alternativa de se utilizar componentes que sejam especialmente projetados para proporcionar uma imunidade aos ruídos.
Diversos fabricantes possuem linhas de Triacs especialmente projetados para essa finalidade.
Assim, ao projetar um circuito com um Triac que deva operar num ambiente ruidoso, o leitor deve levar em consideração que:
Problemas com Alta Velocidade de Disparo
Se a taxa máxima de variação da tensão de comutação (dVcom/dt) for excedida, o que ocorre quando cargas altamente indutivas forem controladas, pode ocorrer uma defasagem considerável entre a corrente e a tensão na carga, conforme mostra a figura 19.
Quando o Triac comuta à medida que a corrente de carga passa por zero, a tensão não será zero, dado o deslocamento de fase mostrado na figura. Isso significa que o Triac tem de bloquear essa tensão.
A variação tensão de comutação resultante pode forçar o triac de volta à condução, se ela exceder a capacidade de dVcom/dt do componente. Isso ocorre, porque os portadores de carga não tiveram tempo suficiente para deixar a junção.
A capacidade dVcom/dt é afetada por dois fatores:
- Taxa de queda da corrente na carga na comutação, dIcom/dt. Tanto maior for dIcom/dt, mais baixa será a capacidade dVcom/dt.
- Uma temperatura de junção mais elevada baixa a capacidade dVcom/dt.
Se o dVcom/dt do triac for ultrapassado, pode ocorrer o disparo falso. Uma possibilidade consiste no uso de um snubber RC, conforme mostra a figura 20.
Para esse snubber, valores típicos de R estão entre 100 e 330 ohms enquanto que para C o valor mais recomendado é 100 nF. Veja que o resistor nunca deve estar ausente, pois sem ele, a carga seria amortecida pelo capacitor, causando oscilações capazes de levar o circuito a instabilidade.
dIcom/dt máximos excedidos
Uma taxa de crescimento da corrente dIcom/dt na comutação da corrente de carga maior do eu a suportada pelo componente (assumindo um sinal senoidal), ou não senoidal, pode causar problemas de comutação.
O caso mais comum de forma e onda senoidal é quando o triac controla cargas indutivas.
A falha de comutação pode ocorrer pela contra-FEM gerada na carga indutiva, quando a corrente no triac se reduz rapidamente a zero, conforme mostra a figura 21.
Nessa condição de corrente zero no triac, a corrente da carga pode circular livremente num circuito fechado pela ponte retificadora.
Cargas desse tipo podem gerar transições rápidas de corrente dIcom/dt não suportada mesmo em operação relativamente lenta em circuitos de 60 Hz.
Nesse caso, um snubber não terá muito efeito sobre o circuito porque o problema não com a taxa de crescimento de tensão dVcom/dt.
A solução consiste em se limitar a dIcom/dt com a conexão de um pequeno indutor, de alguns mH em série com a carga.
Outra possibilidade consiste em se usar um triac que seja projetado especificamente para esse tipo de aplicação.
Excedendo a taxa máxima de mudança de tensão do estado off dVd/dt
Se uma tensão que varie muito rapidamente for aplicada a um triac no estado de não condução (ou qualquer tiristor sensível), sem exceder Vdrm, conforme mostra a figura 22, uma corrente capacitiva interna pode gerar uma corrente de gate suficientemente intensa para disparar o dispositivo.
A susceptibilidade a esse problema aumenta com a temperatura.
Nesse caso, dVd/dt pode ser limitada por um snubber RC ligado entre MT1 e MT2.
Tudo isso significa que o projetista ao trabalhar com esse componente deve ter em mente que:
- Onde variações rápidas de tensão causem problema de disparo errático, um snubber deve ser ligado entre MT1 e MT2.
- Onde variações rápidas de corrente são a causa do problema, deve-se agregar em série com a carga um indutor de alguns mH.
- Como alternativa pode-se utilizar um triac especialmente projetado para a aplicação
Ultrapassando Vdrm
Vdrm é a tensão de pico máxima repetitiva que o triac suporta no estado de não condução. Essa tensão pode superar o valor máximo suportado pelo componente em MT2 na presença de transientes na alimentação.
Com isso as fugas entre MT2 e MT1 podem alcançar o ponto em que o Triac dispara espontaneamente, conforme mostra a figura 23.
Se a carga permitir a circulação de uma corrente intensa pelos poucos milissegundos em que isso ocorre, uma corrente localizada numa pequena área do chip pode circular, causando a destruição do componente.
Lâmpadas incandescentes, circuitos de proteção “crowbar“, cargas altamente capacitivas são alguns tipos de cargas que podem causar esse problema.
Uma possibilidade para se proteger o componente consiste em se limitar a rápida taxa de crescimento da corrente que circula através do componente nessas condições. Isso pode ser conseguido pela conexão em série de um indutor de núcleo de ar (não saturável) de alguns mH.
Se essa solução não puder ser adotada, uma possibilidade seria a utilização de uma proteção adicional contra transientes no circuito.
Isso pode ser conseguido com varistor de óxido metálico (MOV) em paralelo com a alimentação do circuito e em seguida a pequena indutância em série com a carga.
Segundo muitos fabricantes, existem dúvidas quanto a confiabilidade de circuitos que utilizam MOVs ligados em paralelo com a rede de energia, já que eles estão sujeitos à deriva térmica, mesmo em temperaturas ambiente, causando assim falhas catastróficas. Isso ocorre porque a tensão de operação desses dispositivos tem um coeficiente negativo de temperatura.
Assim, se é recomendado um componente de 275 Vrms para operação na rede de 230 V o risco de falha é mínimo.
As falhas ocorrem principalmente se um MOV de 250 V for usado na rede de 230 V. Para esses casos o leitor deve então ter em mente que:
Tempo dIt/dt de Disparo
Quando um triac ou outro tiristor é disparado corretamente via gate, a condução começa no chip na área imediatamente adjacente a comporta, espalhando-se rapidamente por toda a área ativa.
O tempo para que essa corrente demora para se espalhar impõe limites para a taxa máxima de crescimento da corrente numa carga.
Se a corrente de carga aumentar muito rápido antes que a área de condução total for atingida, pontos de sobreaquecimento no chip podem ocorrer.
Esses pontos tanto podem causar a imediatamente destruição do dispositivo como uma degradação gradual, com uma redução progressiva da sensibilidade de comporta.
Por esse motivo, ao usar um Triac tenha em mente que:
Exemplos de cargas que têm corrente de condução inicial elevadas são as lâmpadas incandescentes. A resistência de um filamento frio é muito menor do que a resistência nominal.
Usando um triac para controlar um dispositivo como esse, percebe-se que dIt/dt está no seu ponto máximo, no pico da tensão da rede de energia.
Esse problema pode ser corrigido com a redução da taxa de crescimento da corrente com o acréscimo de um pequeno indutor (alguns mH) em série com a carga. O indutor escolhido, não deve ser do tipo saturável.
Outra possibilidade consiste na ligação de um NTC (Negative Coefficient Temperature) ou termistor em série com a carga.
No entanto, a solução mais “elegante” para o problema consiste em se utilizar circuitos de disparo que operem pela passagem por zero do ciclo da tensão de alimentação. Isso significa que a condução sempre começa no ponto de mínimo.
O leitor deve então lembrar que:
Outra solução consiste em se adotar um circuito de disparo por passagem por zero, para cargas resistivas.
Desligamento
Como os triacs são usados em circuitos de corrente alternada, eles naturalmente comutam no final de cada semi-ciclo da tensão de carga, a não ser que o sinal de disparo fique aplicado de modo a manter a condução no ciclo seguinte. São válidas as mesmas recomendações para o caso dos SCRs.
Triacs, SCRs e outros componentes da família dos tiristores são componentes robustos, suportando correntes e tensões elevadas.
Mesmo assim, se esses componentes não forem corretamente usados eles podem apresentar falhas e até mesmo queimar.
Índice Geral
Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência
Parte 7 - Tiristores – O Triac
