A função de um tirístor é de abrir e fechar circuitos com grandes cargas, como motores, electroímanes, aquecedores, converter CA em CC, CC em CA. Os tirístores trabalham sempre entre dois estados de funcionamento: o corte e a condução, por isso podemos dizer que são dispositivos de comutação.

SCR (Rectificador Controlado de Silício)

É o principal dos tirístores pelo número e aplicações.

Permite não só rectificar uma corrente alternada mas também controlar a corrente que passa por ele e pela carga ligada em série com ele.

É constituído por quatro camadas de material semicondutor PNPN (silício), originando três junções PN. Possui três terminais designados por Ânodo (A), Cátodo (K) e Gate (G) ou Porta.

O circuito equivalente de um SCR corresponde a dois transístores complementares, em que o colector de um está ligado à base do outro e o colector do outro na base do primeiro. Uma das bases corresponde ao terminal de disparo, gate ou porta.

O funcionamento do SCR é semelhante ao do díodo. Para além do ânodo e cátodo estarem polarizados directamente (ânodo a um potencial positivo em relação ao cátodo) é necessário ainda aplicar uma tensão positiva adequada na gate, para que circule corrente entre ânodo e cátodo. Condições para que o SCR funcione:

Em polarização inversa o SCR está bloqueado (não conduz) quer se aplique ou não tensão na gate.

Em polarização directa, o SCR está bloqueado, salvo quando se aplica uma tensão adequada na gate, entrando assim num estado de condução.

Depois do SCR entrar em condução pode suprimir-se o sinal na gate que ele continua a conduzir.

O SCR deixa de estar em condução quando a corrente que o percorre baixa a um valor inferior à corrente mínima de manutenção (IH) indicada pelo fabricante.

Disparo síncrono ou disparo a tensão nula

O disparo do tirístor produz-se neste sistema de controlo de potência entregue à carga, quando a tensão ânodo – cátodo está a zero (daí disparo a tensão nula).

A carga e o tirístor estão ligados em série com a alimentação da corrente alternada e só pode passar corrente na carga durante os semiciclos em que o ânodo é positivo em, relação ao cátodo e na porta (ou gate) se aplica um impulso positivo de corrente. O impulso na gate (ou porta) controla o período de condução do tirístor.

Se na porta se aplicarem impulsos positivos de corrente que coincidam com o início de cada semiciclo positivo, o tirístor conduzirá todos os semiciclos positivos.

Métodos de controlo de potência entregue à carga

Métodos de controlo de potência entregue à carga

Controlo de fase

Enquanto que no disparo síncrono os impulsos de corrente aplicados na porta coincidem com o início de todos ou de alguns dos semiciclos positivos, no controlo de fase os impulsos da corrente de disparo têm lugar dentro de cada semiciclo positivo da tensão de alimentação.

O ângulo para o qual se inicia a condução designa-se por ângulo de disparo, enquanto o ângulo durante o qual o tirístor se encontra à condução denomina-se de ângulo de condução.

Circuito de disparo de um tirístor com um diac

O diac utiliza-se em circuitos, relativamente económicos de disparo de tirístores. Neste circuito as resistências R1 e R2, juntamente com o condensador C, formam um circuito RC de constante de tempo (t) igual a (R1 + R2) x C.

O condensador carrega-se nos semiciclos positivos e nos terminais do mesmo aparece uma tensão que, por sua vez, deriva para o circuito formado pelo diac, a resistência R3 e a gate do tirístor, já que estão em derivação com o condensador C. A gate do tirístor está contudo isolada dos impulsos do condensador pelo diac até que este entre em condução. Quando a tensão aos terminais do condensador ultrapassa a tensão de ruptura do diac (normalmente à volta dos 30 Volt) este conduz e a corrente é aplicada à gate do tirístor, originando o disparo deste, passando a circular corrente através da carga (Rc).

O instante de disparo depende da constante de tempo (R1 + R2) x C, sendo R2 variável, isto é, variando a posição do cursor de R2, ajusta-se o tempo de carga de C e portanto o ângulo de disparo do tirístor. Para ângulos de condução elevados o diac tem de disparar no início de cada semiciclo positivo. Nestas condições de funcionamento o valor de R2 terá de ser nulo para que o condensador C se carregue rapidamente. Do exposto deduz-se que o valor de R1, juntamente com o valor mínimo de R2, terá de proporcional uma constante de tempo tal que o condensador se carregue num tempo mínimo.

O díodo impede a corrente inversa através da gate do tirístor e assegura um disparo estável ao descarregar-se o condensador C durante cada semiciclo negativo.

A resistência R3, limita a intensidade da corrente de pico na gate do tirístor a um valor seguro.

Curva característica estática de um SCR

Para tensões inversas aplicadas (3º quadrante do gráfico), o cristal semicondutor comporta-se como qualquer díodo de junção. Há uma corrente de fuga muito reduzida, até que atingindo-se a tensão de zener, a corrente aumenta bruscamente e ligeiras variações de tensão dão origem a grandes variações de corrente.

Com tensões directas (1º quadrante do gráfico) o caso é diferente. Para pequenas tensões começa também a aparecer uma pequena corrente de fuga, mas quando a tensão atinge um valor VRO, observa-se um aumento brusco de corrente, baixando imediatamente a queda de tensão interna no tirístor para um valor pequeno (VT). Chama-se a VRO a tensão de ruptura, sendo de notar que a letra O de VRO significa “Open” (aberto). Tudo isto se passa portanto com a gate aberta.

O tirístor passa a conduzir fortemente, uma vez atingida a tensão VRO. Na prática não se aplica ao tirístor uma tensão tão alta como VRO, pois isso pode danificar o dispositivo. O que se faz é aplicar um impulso positivo à gate e, ainda que seja relativamente baixa a tensão directa (muito inferior a VRO) o SCR passa rapidamente ao estado de condução.

Quando o tirístor entra em franca condução a tensão da fonte vai praticamente ficar aplicada integralmente na carga do circuito, pois uma vez que a resistência interna cai a um valor muito baixo, também assim acontece à tensão entre o ânodo e o cátodo.

Curva característica de um tirístor com a gate aberta

Curva característica de um tirístor com a gate aberta

Características técnicas mais importantes de um tirístor

VDRM     Tensão máxima repetitiva em estado de não condução.

ITRMS      Corrente eficaz máxima em condução.

IGT           Corrente máxima de disparo na gate.

VGT           Tensão máxima de disparo na gate.

VTM          Queda de tensão máxima em condução.

IH             Corrente de manutenção.

ITSM        Corrente máxima transitória.

Díodo Schockley ou díodo de quatro camadas

A utilização do díodo de quatro camadas leva a circuitos de disparo mais complicados. O díodo Schockley ou de quatro camadas é um SCR sem gate preparado para disparar por tensão

SCS (Silicon Controlled Switch)

É um tirístor semelhante ao SCR, mas com dois terminais de disparo, a gate (ou porta) de ânodo, Ga, e a gate (ou porta) de cátodo, Gk, permitindo disparo por impulsos negativos ou positivos, respectivamente. Não é muito comum, sendo geralmente de baixa potência. As iniciais SCS significam interruptor controlado de silício.

GTO (Gate Turn Off)

Se aplicarmos um impulso positivo na gate o tirístor conduz, se aplicarmos um impulso negativo na gate o tirístor deixa de conduzir. Todos os tirístores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente mínima de manutenção (IH), o que exige em certos casos circuitos especiais para desligar.

O GTO permite ser desligado por impulso negativo de alta corrente na gate, em geral produzido através da descarga de um condensador.

Análise de tirístores com um multímetro.

Para comprovação de um tirístor pode-se utilizar a função de análise de junções PN ( ) de um multímetro. Com as pontas de prova ligadas em qualquer sentido o componente não deve conduzir entre os seus terminais de ânodo e cátodo, indicando um valor da resistência infinita. Podemos fazer uma comprovação aproximada da gate aplicando um teste idêntico aos terminais de gate e cátodo. Se aplicarmos uma polarização directa (Gate positiva e cátodo negativo) a resistência indicada pelo multímetro deve ser baixa. Se pelo contrário polarizarmos inversamente (Gate negativa e cátodo positivo) a resistência indicada pelo multímetro deve ser alta.

Pode-se realizar um teste melhor, com o multímetro na função de análise de junções PN ( ), seguindo o processo descrito na figura. Primeiro, ligar a ponta de prova positiva ao ânodo e a negativa ao cátodo. Colocar em curto-circuito por breves instantes o terminal de gate com o ânodo: deverá obter-se uma leitura bastante baixa. Ao deixar este curto-circuito, deverá todavia obter-se uma leitura bastante baixa, já que o tirístor entrou em condução, e a corrente deverá ser suficiente para proporcionar a manutenção deste estado . Se uma das pontas de prova se desligar e voltar novamente a ligar, o tirístor deverá bloquear (não conduz), obtendo-se novamente uma leitura de elevada resistência.

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