A utilização de SCRs e Triacs em controles de potência está condicionada ao projeto de um bom circuito de disparo. Existem muitas técnicas possíveis para o disparo de Tiristores, as quais apresentam vantagens e desvantagens que devem ser consideradas em cada projeto. Neste artigo abordamos algumas que podem servir de base para os leitores interessados em projetos.
O disparo de Triacs e SCRs comuns dependem de uma corrente que pode variar tipicamente entre 200 uA e 500 mA dependendo da capacidade do dispositivo.
A tensão para se obter a condução quando aplicamos um sinal de disparo pode variar entre 1,5 e 6,0 volts tipicamente.
Levando ainda em consideração que o disparo pode ser feito tanto pela aplicação de um sinal contínuo como por um pulso de curta duração, os valores em questão devem ser ampliados.
Assim, para se obter o disparo com um pulso de curta duração, ele deve ter um pico de corrente até 10 vezes maior do que seria necessário para um disparo por corrente contínua.
Na figura 1 temos uma curva em que é mostrada esta característica de disparo por pulso para um SCR comum.
Observe que a intensidade da corrente necessária ao disparo aumenta à medida que a duração do pulso se torna menor.
A partir dos 14 μs de duração, já não temos variações na intensidade da corrente necessária ao disparo.
Este é, pois o ponto em que temos a sensibilidade maior ao disparo, para uma operação com disparo por pulsos
Na figura 2 temos outra curva característica, esta em função da tensão de disparo, mostrando que o comportamento dinâmico de um SCR muda bastante em relação ao disparo por corrente contínua.
Esta curva é obtida em função de pulsos retangulares com um tempo de subida no máximo de 10% da largura do pulso.
A tensão de anodo é de 6 V. A área hachurada representa a região de operação recomendada para o componente tomado como exemplo.
Observe que com pulso de curta duração precisamos de muito maior tensão para obter o disparo.
COMO OBTER o DISPARO
Para obter com pulsos deve existir um circuito externo que produza estes pulsos na razão desejada.
Temos então duas possibilidades que dependem do fato de usarmos um SCR ou um triac, conforme mostra a figura 3.
No caso de SCRs os pulsos devem ocorrer nos semiciclos conduzidos e no caso de Triacs em face com a tensão de MT2, para condução em ambos os semiciclos da corrente alternada.
Observe que se dá preferência ao disparo nos modos negativos para os Triacs, pois nesta modalidade é necessária menor quantidade de energia para isso.
O modo segundo o qual o pulso de disparo pode ser aplicado ao Tiristor varia bastante.
Na figura 4 temos alguns exemplos:
Em (a) temos o acoplamento direto que tem por vantagem a simplicidade, mas por desvantagem o não isolamento do circuito de controle do circuito de carga.
Em (b) temos o uso de um opto-disparador. A vantagem deste disparo está no isolamento e também na velocidade de ação, mas em compensação a sensibilidade impede o seu uso direto com tiristores que exigem altas correntes de disparo.
Em (c) temos o uso de um transformadores de pulsos que reúne a vantagem da alta velocidade e excelente isolamento.
TRANSFORMADORES DE PULSOS
Um transformador de pulsos para o disparo de SCRs e Triacs pode ser construído facilmente com a seguinte “receita“:
Num bastão de ferrite de aproximadamente 0,8 a 1cm de diâmetro por 2,5 a 3 cm de comprimento enrole 50 voltas de fio esmaltado 38 ou 40 AWG.
Depois, sobre este enrolamento faça outro ou outros iguais conforme a necessidade do projeto.
A identificação posterior dos terminais dos enrolamentos pode ser feita com o multímetro (figura 5).
No entanto, para aplicações mais críticas, um componente pronto pode ser' adquirido e para isso existem tipos disponíveis no nosso mercado.
Na figura 6 temos as características dos transformadores TP 1:1 de dois enrolamentos e TP 1:1:1 de três enrolamentos e empresa fabricante na época em que o artigo foi escrito (1990).
Estes componentes possuem uma resistência máxima de enrolamento de 0,20 ohm, uma indutância mínima de 0,4 mH, uma capacitância entre enrolamentos de 6,5 pF e uma tensão máxima de trabalho entre enrolamentos de 250 VCA.
Na figura 7 temos circuitos em que mostramos aplicações típicas para os transformadores de dois e de três enrolamentos
Observe que os tipos de três enrolamentos são utilizados nos controles de onda completa com SCRs.
A observação das polaridades ou sentidos dos enrolamentos permite que os SCRs sejam disparados com pulsos de uma única polaridade ou das duas, conforme a aplicação.
Para os casos em que os pulsos de disparo são de baixa intensidade podem ser utilizados circuitos amplificadores.
Alguns dispositivos de comutação semicondutores podem ser utilizados nestes circuitos como, por exemplo, os transistores programáveis unijunção (figura 8).
Os transistores programáveis unijunção ('PUT) possuem uma curva característica com uma região de resistência negativa que permite sua aplicação como oscilador de relaxação, conforme mostra a figura 9.
Os PUTs são semelhantes em estrutura aos SCRs, ou seja, consistem num diodo de 4 camadas exceto pelo fato de que temos o eletrodo de disparo ligado ao anodo e não ao catodo, como sugere seu símbolo.
Esta conexão ao anodo do elemento de disparo permite que seja feita uma programação de seu ponto de disparo, o que não ocorre com um SCR comum em que temos um ponto fixo de disparo.
O resultado é que o PUT tem uma característica de comutação melhor do que o transistor unijunção, sendo mais rápido e mais sensível, e até mais m econômico em muitas aplicações.
Na figura 10 temos, por exemplo, um circuito sugerido pela Motorola em que o PUT MPU131 é usado no disparo de um MCR2918-1 (8 A x 50 V) num carregador de baterias para 12 V.
Na figura 11 temos a curva de comportamento deste carregador, observando-se a dependência da corrente em relação a carga (densidade da solução).
Outros dispositivos comutadores rápidos que podem ser usados no disparo de SCRS e Triacs são os Diacs, os SUS e os SBS (SBS : Silicon Bilateral Switch e SUS : Silicon Unilateral Switch) cujos símbolos e curvas características são mostrados na figura 12.
No entanto, para operação com transformadores de pulsos, os dispositivos mais utilizados são os transistores unijunção.
O TRANSISTOR UNIJUNÇÃO
Na figura 13 temos a estrutura de um transistor unijunção onde podemos observar a existência de uma única junção, fato que determina o nome do componente.
A resistência ôhmica entre os dois terminais de base (B1 e B2) está entre 5 e 20 k para os tipos mais comuns.
A região de emissor (semicondutor P) fica pouco acima da metade do material de base, de modo a determinar o que chamamos de relação intrínseca do transistor unijunção.
Assim, para termos a operação do transistor unijunção como oscilador de relaxação devemos proceder da seguinte forma:
Ligamos no emissor um circuito de tempo RC e entre as bases fazemos a polarização com dois resistores (ou um só) conforme mostra a figura 14.
A tensão na região de emissor do transistor é dada pela relação intrínseca multiplicada pela resistência total da região de base, de modo a termos neste ponto algo entre 0,4 e 0,8 da tensão de alimentação do circuito.
Quando então a tensão no capacitor atinge estes 0,4 a 0,8 da tensão de alimentação mais aproximadamente 0,6V para vencer a barreira de potencial da junção, ocorre a comutação do transistor.
Até este instante havia uma resistência muito alta entre o emissor e a região de base do transistor unijunção o que permitia a carga do capacitor sem praticamente perdas.
No entanto, com a comutação, passa a haver uma resistência muito baixa entre o emissor e a base B1, o que possibilita a descarga rápida do capacitor com a produção de um pulso agudo.
Este pulso, pelas suas características é ideal para o disparo de dispositivos como SCRs e Triacs, dada a ampla utilização do transistor unijunção com esta finalidade.
Na figura 15 temos as formas de onda obtidas no transistor unijunção.
Uma vez ocorrida a descarga do capacitor até que a tensão no emissor do transistor unijunção caia abaixo do ponto de manutenção, o transistor “desliga” e um novo ciclo de carga pode começar.
É interessante observar que o transistor unijunção pode ser usado no disparo de Triacs e SCRS tanto a partir de fontes contínuas como alternadas.
a) Fontes contínuas
Neste caso, os pulsos podem ser usados para produzir o disparo ritmado como, por exemplo, em pisca-piscas ou sinalizadores, conforme o diagrama da figura 16.
b) Fontes alternadas
Neste caso, a carga num semiciclo pode ser usada para retardar o instante do disparo num controle de potência.
O capacitor se carrega num intervalo de tempo ajustado no potenciômetro de modo a ficar em pontos situados entre o início e o final de cada semiciclo (figura 17).
Desta forma, podemos dosar a potência aplicada à carga num dimmer ou controle de potência de grande eficiência.
Bibliografia:
- Practical Triac/SCR Projetos for the Experimenter - R. W. Fox - TAB Books - n 695
- RCA Silicon Controlled Rectifier Experimenter's Manual - RCA I967.
- Theory, Characteristics and Applications of the Programmable Unijunction Transistor AN - 527 - Application Note – Motorola 1971
- 110 Thyristor Projects Using SCRs and Triacs R.M. Marston - Newnes Technical Book 1972.
- EI Tiristor - Rudolf Swoboda - Rede – 196
