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Como Usar Corretamente Tiristores (ART3979)

Este artigo faz parte de nosso livro Curso de Eletrônica – Eletrônica de Potência. Nele abordamos os principais cuidados que devem ser tomados no uso de SCRs, Triacs e outros tiristores de potência.

ART1030S

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 consequências 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 1 e que já estudamos no item anterior.

 

  Figura 1 – Curva característica do SCR
Figura 1 – Curva característica do SCR

 

 

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 25º 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:

 

Para ligar um SCR (e também um TRIAC), a corrente de comporta Igt deve ser aplicada durante um tempo suficientemente longo para que a corrente IL atinja o valor IL. Essa condição deve ocorrer em toda a faixa de temperaturas do dispositivo na aplicação

 

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 2. 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.

 

Figura 2 – Reduzindo a sensibilidade do gate com um resistor
Figura 2 – Reduzindo a sensibilidade do gate com um resistor

 

 

 

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:

 

- Para desligar um Tiristor, a corrente de carga deve ser reduzida a um valor inferior a IH por um tempo suficientemente longo para permitir o seu retorno ao estado de bloqueio. Essa condição deve ocorrer em toda a faixa de temperaturas do dispositivo na aplicação visada.

 

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:

 

- Quando projetando um circuito de disparo, evite disparar no terceiro quadrante sempre que possível.

 

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:

 

- Para minimizar a captação de ruídos mantenha curtas as conexões de comporta. Tome o retorno do sinal de disparo diretamente de MT1 ou catodo. Se o cabo de disparo tiver de ser longo use par trançado ou fio blindado. Eventualmente pense em reduzir a sensibilidade com um resistor e adicionar um capacitor de desacoplamento.

 

b) 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 3.

 

Figura 3 – Problemas de defasagem
Figura 3 – Problemas de defasagem

 

 

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 4.

 

   Figura 4 – Conexão do snubber em paralelo com o triac
Figura 4 – Conexão do snubber em paralelo com o triac

 

 

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.

 

b) dIcom/dt máximos excedidos

Uma taxa de crescimento da corrente dIcom/dt na comutação da corrente de carga maior do que 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 5.

 

Figura 5 – Falha de comutação
Figura 5 – Falha de comutação

 

 

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.

 

c) 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 6, 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.

 

Figura 6 – problema com corrente capacitiva
Figura 6 – problema com corrente capacitiva

 

 

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

 

d) 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 7.

 

Figura 7 – Ultrapassando Vdrm
Figura 7 – Ultrapassando Vdrm

 

 

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:

 

Se a tensão Vdrm de um Triac pode ser ultrapassada na presença de transientes mais fortes da rede de energia use uma das medidas de proteção indicadas: reduza a taxa de crescimento da corrente com um indutor em série com a carga ou então proteja o circuito com um varistor (MOV).

 

 

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:

 

Mantendo segura a corrente de disparo a integridade do Triac é preservada.

 

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:

 

Se a taxa de crescimento da corrente no disparo for muito alta, colocando em risco a integridade do componente, use um indutor em série ou um NTC.

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.

 

 

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