Tiristores como relés e chaves (ART517)

Os dispositivos comutadores de estado sólido da família dos tiristores, pela sua capacidade de operar com correntes intensas, encontram uma enorme gama de aplicações na eletrônica de potência. Funcionando como relés ou chaves, eles podem ser usados em aplicações industriais, de consumo, automotivas, média e em telecom. Veja neste artigo uma série de circuitos práticos que usam tiristores como chaves e relés. Um desses circuitos pode ser a solução de estado sólido que o leitor está procurando para uma aplicação.

SCRs e TRIACs são os dispositivos comutadores de estado sólido mais usados nos circuitos de corrente alternada.

O primeiro conduz a corrente num único sentido, enquanto que o segundo conduz a corrente nos dois sentidos. No entanto, utilizando recursos apropriados, qualquer um pode ser usado em aplicações que envolvem tanto o controle de meia onda como de onda completa.

Pela capacidade que ambos têm de operar com correntes intensas em circuitos de alta tensão eles consistem em soluções ideais de controle de potência, funcionando como relés ou chaves.

Damos a seguir uma série de circuitos de aplicação para tiristores (SCRs e TRIACs) que podem ser usados com as mais diversas finalidades no controle de cargas tanto de corrente alternada como de corrente contínua pulsante.

A capacidade de controle de cada circuito, na maioria dos casos, ficará limitada apenas pelas características do tiristores usado e eventualmente pelo circuito de disparo que poderá ser alterado conforme as necessidades.

 

Chave Estática de Corrente Alternada

Uma aplicação simples para um TRIAC é como interruptor de potência para cargas de corrente alternada. Conforme mostra o circuito da figura 1, podemos usar um interruptor de baixa capacidade de corrente para controlar uma carga de alta potência usando o TRIAC como controle.

 

Um TRIAC como interruptor de potência.
Um TRIAC como interruptor de potência.

 

O segredo deste circuito está em se escolher o valor apropriado do resistor R1 para que o disparo ocorra tanto mais próximo quanto seja possível do início de cada semiciclo da tensão da rede.

Se R1 for muito grande, o disparo ocorre muito tempo depois do início do semiciclo e com isso a potência aplicada à carga será menor do que a nominal.

Por outro lado, R1 não pode ser muito pequeno, para que a corrente de disparo do TRIAC não supere o valor máximo suportado pelo componente.

Como o resistor conduz por muito pouco tempo em cada semiciclo, sua dissipação pode ser pequena. Resistores de 1/4 W funcionarão perfeitamente neste circuito.

Se a carga comutada for indutiva deve ser usado um circuito "snubber" para evitar que altas tensões apareçam sobre o TRIAC na comutação. Esse circuito é formado por R2 e C1. O capacitor C1 deve ser do tipo de poliéster para aplicações em corrente alternada.

 

Interruptor de Potência Normalmente Fechado (NF)

Na figura 2 temos uma interessante aplicação de um controle de potência para um elemento de aquecimento de alta potência usando SCRs em uma configuração de onda completa e um termostato.

 

Um aquecedor com termostato.
Um aquecedor com termostato.

 

Esse circuito mantém o aquecedor desligado quando o termostato se encontra com seus contactos fechados, o que ocorre acima de uma certa temperatura.

Quando a temperatura cai e o termostato abre seus contactos, o SCR tem sua comporta polarizada por R1 no sentido de disparar. Como o SCR está ligado numa configuração em ponte, os dois semiciclos da corrente alternada são conduzidos, alimentando o elemento de aquecimento com a forma de onda mostrada na figura 3.

 

Forma de onda obtida.
Forma de onda obtida.

 

Nesse circuito foi usado um termostato de baixa corrente, cuja intensidade é determinada por R1. Para este circuito, a corrente do termostato está limitada a 250 uA. Se o SCR exigir corrente maior para o disparo, o valor de R1 deve ser reduzido.

Observamos entretanto, que a durabilidade do termostato será tanto maior quanto menor for a intensidade da corrente com que ele trabalhar.

Lembramos que para os SCRs da série TIC as correntes de disparo são da ordem de 10 mA o que leva a R1 a um valor típico da ordem de 4,7 k ? nesta aplicação.

Observe que os diodos usados na ponte devem ter correntes de acordo com a exigida pelo circuito de carga.

 

Interruptor de Potência Normalmente Fechado com Acoplador Óptico

O circuito mostrado na figura 4 usa um TRIAC e um SBS para o disparo, com uma ponte de diodos e um acoplador óptico.

 

 TRIAC e um SBS para o disparo.
TRIAC e um SBS para o disparo.

 

A ponte de diodos faz com que os sinais do acoplador óptico sejam aplicados à comporta do TRIAC, através do SBS nos dois semiciclos da alimentação.

Assim, quando o emissor do acoplador óptico está iluminando o foto-transistor, a comporta do TRIAC é aterrada e nenhum sinal de disparo chega a esse componente.

Quando o foto-transistor deixa de receber luz, o sinal de disparo para o triac pode chegar até ele via SBS e com isso ocorre sua condução com a alimentação da carga.

Também neste caso, o TRIAC tomado como exemplo é do tipo de baixa corrente de disparo. Para TRIACs de maior corrente, da ordem de 10 mA, o resistor deve ter seu valor reduzido. Valores entre 10 k ? e 22 k ? podem ser experimentados.

Dependendo da corrente de disparo do TRIAC, o acoplador deve ser de maior sensibilidade.

 

Chave NA Com Opto Diac

circuitos integrados contendo opto-disparadores como os MC3010 e MC3020 são bastante populares neste tipo de aplicação.

Assim, conforme mostra a figura 5, temos um opto-diac disparando um TRIAC comum num circuito de potência ligado à rede de 110 V. Para a rede de 110 V o opto-diac usado é o MOC3010 e para a rede de 220 V deve ser usado o MOC3020.

 

Opto-diac disparando um TRIAC
Opto-diac disparando um TRIAC

 

Essa configuração é a recomendada para cargas resistivas cuja potência depende apenas do TRIAC usado.

Se a carga for indutiva devemos modificar o circuito, conforme mostra a figura 6.

 

Esquema para a carga indutiva.
Esquema para a carga indutiva.

 

Será conveniente neste caso também usar um circuito snubber para proteger o TRIAC.

TRIACs da série TIC podem ser usados nesta aplicação e para cargas menores do que 200 W os resistores podem ter seus valores reduzidos para 22 ?.

Veja que é importante ter resistores de valores apropriados para que o TRIAC comute no início dos semiciclos e assim a maior parte da potência seja transferida para a carga.

 

Chave NA Isolada

Uma configuração interessante e útil para o controle de cargas de potência é a mostrada na figura 7.

 

Controles de carga de potência.
Controles de carga de potência.

 

Neste circuito usamos um transformador de baixa tensão para carregar o circuito de comporta quando seu secundário é colocado em curto.

Dessa forma, quando o interruptor está aberto, o transformador representa uma alta impedância para o circuito e com isso a tensão aplicada à comporta não atinge o valor necessário ao disparo.

Quando o interrupto é fechado, o transformador se comporta como uma baixa impedância permitindo a passagem da tensão alternada que dispara o TRIAC.

O bom funcionamento desse circuito depende basicamente das características do transformador e do valor do resistor R1.

Veja que o interruptor vai trabalhar com tensões e correntes muito baixas e estará isolado da rede de energia que alimenta o circuito de potência.

 

Chave com Opto-Acoplador para Cargas de Muito Alta Potência

Para o caso de opto-diacs como os MOC3010 e MOC3020 operarem com cargas de potências muito alta, podemos usar dois SCRs em contra-fase para a condução dos dois semiciclos da tensão da rede de energia. Como isso pode ser feito, é mostrado na figura 8.

 

Usando dois SCRs em contra-fase.
Usando dois SCRs em contra-fase.

 

 

Circuito de Retardo para Corrente Alternada

Na figura 9 mostramos uma aplicação interessante em que um circuito integrado 555 é usado como chave de retardo para acionar uma carga depois de certo intervalo de tempo, determinado por R2 e C2.

 

TRIAC e o 555.
TRIAC e o 555.

 

Observe que a tensão de alimentação do 555 é derivada da rede de energia mas com um circuito de retificação negativa. O diodo zener fornece uma tensão de 10 V negativos ao pino 1 do 555.

Para o caso de TRIAC sensíveis, o 555 pode fazer a excitação direta, como é o caso deste aplicativo. O resistor do pino 3 do 555 pode ser eventualmente reduzido para até 220 ? se o TRIAC exigir uma corrente maior de disparo.

Para TRIAC que exijam correntes maiores do que 50 mA será interessante agregar ao circuito uma etapa de disparo com um transistor de média potência.

Também existe a possibilidade de se substituir o diodo zener por um regulador negativo de tensão como o 7910. Como o consumo do circuito é baixo, esse componente não precisará ser dotado de radiador de calor.

Os valores dos componentes usados são para uma rede de alimentação de 120 V/60 Hz, mas podem ser alterados para operação em rede de 220 Vou 240 V.

 

Conclusão

A grande vantagem no uso de dispositivos de estado sólido como chaves e relés está na ausência de desgaste e problemas de contacto.

No entanto, eles também têm suas limitações como a introdução de ruídos no circuito, a queda de tensão na condução, além de outros que devem ser considerados.

Assim, o uso de tais dispositivos como chave pode ser uma boa solução para muitas aplicações, mas o leitor precisa ter em mente quando ela não vai lhe trazer problemas adicionais.


Barco
Quem geralmente diz: Estamos todos no mesmo barco é aquele sujeito que é dono do único salva-vidas a bordo da canoa virada.
Ambroise Bierce (1842 1914) Dicionário do Diabo - Ver mais frases

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