O objetivo deste artigo é descrever, de forma didática, os efeitos di/dt e dv/dt em tiristores, e apresentar os resultados experimentais correspondentes a um circuito montado e testado em laboratório.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica de fevereiro de 1985.
Serão aqui considerados apenas o Retificador Controlado de Silício, mais conhecido por SCR, e o TRIAC, por serem estes os dispositivos mais comumente utilizados da família dos tiristores. Após a descrição de cada efeito, comentaremos também as técnicas mais empregadas na prática, para suas limitações.
O EFEITO di/dt
O efeito di/dt pode ser descrito do seguinte modo:
Assim que um SCR é disparado, ele não entra em condução plena instantaneamente.
Inicialmente, a zona de condução se restringe a uma área próxima da porta, e esta área vai se propagando (aumentando), com velocidade finita.
Assim, deverá ir existindo uma área proporcional à medida que a corrente vai aumentando com o tempo.
Entretanto, se a um SCR for imposta uma taxa de crescimento da sua corrente anódica (diA/dt) maior do que a especificada, haverá uma densidade de corrente muito elevada, que provocará aquecimento localizado (HOT SPOT) na pastilha de silício, danificando o SCR, Portanto a taxa diA/dt deve ser limitada a um valor seguro para o SCR considerado.
Na prática, o crescimento da corrente anódica pode ser limitado com a adição de um indutor em série com o anodo do SCR.
Esta técnica de limitação de di/dt é muito utilizada, principalmente quando o SCR trabalha em sistemas de potência.
Deve-se também tomar cuidado com a redução de di/dt, porque se esta taxa abaixar muito, devido ao indutor adicional, o disparo do SCR ficará comprometido.
Assim sendo, a corrente anódica levará mais tempo para alcançar o valor de LATCHING, I L (corrente de engate), necessitando-se neste caso de um pulso de disparo com duração maior.
Estas considerações são válidas também para o TRIAC, porque o princípio de funcionamento deste dispositivo é baseado no mesmo princípio do SCR; podendo, entretanto, ser disparado em dois sentidos.
O EFEITO dv/dt
Sabe-se que o funcionamento de um SCR pode ser compreendido mais facilmente utilizando-se um modelo, onde faz-se uma analogia deste dispositivo com dois transistores bipolares, um PNP e o outro NPN. As figuras 1 e 2 mostram a constituição física básica de um SCR e a interligação dos dois transistores do referido modelo equivalente para efeito de análise.
Quando o SCR é polarizado diretamente, a junção J2 (junção PN do centro), inicialmente polarizada em sentido inverso, apresenta uma capacitância, representada por C na figura 2. Com a aplicação "brusca" da tensão (degrau de tensão, por exemplo) entre anodo e catodo, flui pela capacitância C uma corrente dada por i = C(dv/dt)
Se esta corrente for suficiente para estabelecer a condição de disparo, o SCR conduz mesmo que a corrente de porta seja nula.
Assim, pode-se concluir que variações muito rápidas da tensão direta entre anodo e catodo poderão disparar o SCR aleatoriamente.
Colocando-se um resistor em paralelo entre a porta e o catodo, a sensibilidade a este efeito pode ser enormemente diminuída, porque o resistor adicional oferece um caminho para a passagem da corrente capacitiva.
Outra maneira de contornar o problema é "amortecer" a subida da tensão, ou seja, limitar dv/dt. Este amortecimento pode ser conseguido utilizando-se um circuito RC, conhecido por circuito SNUBBER, colocado entre anodo e catodo, isto é, em paralelo com o SCR. A figura 3 ilustra a atuação do circuito SNUBBER, no que concerne ao amortecimento da tensão aplicada.
O circuito SNUBBER, além de limitar dv/dt, facilita também o disparo do SCR sob cargas indutivas. A dificuldade de disparo sob cargas indutivas, aparece quando o pulso de disparo termina antes que a corrente através da carga tenha atingido o valor de LATCHING.
O SNUBBER reduz este risco, porque este fornece um pulso de corrente (descarga de C) que se soma à corrente de carga, aumentando as chances de se alcançar o valor de LATCHING.
A figura 4, mostra a contribuição do SNUBBER na formação da corrente anódica total. Nesta figura aparecem duas correntes notáveis no SCR, relativas à sua corrente anódica.
São elas:
a) corrente de LATCHING, já citada;
b) corrente de HOLDING.
A segunda é a corrente IH, denominada corrente de manutenção, sendo esta o menor valor de corrente que o SCR suporta sem bloquear.
Quando for necessário limitar o efeito dv/dt no TRIAC, pode-se empregar a mesma técnica apresentada para o SCR, porque este dispositivo consiste, em essência, de dois SCR's construídos com orientações opostas no mesmo cristal, e opera basicamente como se fossem dois SCR's ligados em paralelo, mas com o anodo de um ligado ao catodo do outro.
TESTES NO LABORATÓRIO
Como foi dito no início, no laboratório é testado um circuito onde procura-se verificar a veracidade das informações dadas anteriormente.
Para os testes, foi escolhido um simples circuito com TRIAC, entretanto, suficiente para alcançar os resultados esperados.
Primeiramente é observado o funcionamento do circuito com CARGA RESISTIVA (lâmpada incandescente), e depois com carga quase totalmente INDUTIVA.
A figura 5 mostra o circuito usado para os testes de laboratório.
Inicialmente, o potenciômetro P é inserido com seu máximo valor. A redução gradativa do valor de P, propicia o disparo do TRIAC e consequentemente o acendimento da lâmpada L. Deste modo, com o auxílio de um osciloscópio, pode-se observar a forma de onda sobre o TRIAC (forma de onda entre Tp1 e Tp2) e verificar o aumento do ângulo de condução, à medida que o valor de P vai sendo reduzido.
Cabe aqui constar que se o circuito não funcionar corretamente no que concerne ao controle do ângulo de condução do TRIAC, a lâmpada L acenderá e a variação de P praticamente não influenciará no seu brilho.
Este problema pode ser solucionado com a inversão das ligações dos terminais Tp1 e Tp2 do TRIAC.
O ângulo de condução máximo medido foi de 2 x 166,5° = 333° para este circuito, e o ângulo de religamento (ângulo em que ocorre o primeiro disparo do TRIAC), também medido, foi de 2 x 72° = 144°.
A figura 6 mostra a forma de onda correspondente ao ângulo máximo de condução.
Nota-se na forma de onda anterior, devido à natureza da carga, um reduzido dv/dt durante o corte do TRIAC, visto que o nível de tensão indicado é de 52 (V).
Percebe-se também que a lâmpada acende repentinamente ao invés de gradualmente, à medida que o valor de P vai sendo reduzido.
Existe uma técnica para minimizar este inconveniente, entretanto para a experiência que está sendo realizada é suficiente utilizar o circuito como está representado na figura 5.
À seguir, desligou-se o circuito e foi adicionado o indutor L. Acrescentou-se também o SNUBBER, que foi inicialmente conectado de acordo com a figura 7.
Colocando-se o potenciômetro P em seu máximo valor e reduzindo-o gradativamente, ocorreu o primeiro disparo do TRIAC. O ângulo de religamento correspondente, medido com o auxílio de um osciloscópio, agora foi de 2 x 108° = 216°, portanto, maior que o do caso anterior (carga resistiva).
Verifica-se assim a dificuldade de disparo do TRIAC sob carga indutiva, devido à redução do di/dt.
A seguir, o potenciômetro P foi ajustado para um valor próximo, correspondente ao ângulo de religamento para carga indutiva. Ligando-se o capacitor C do SNUBBER ao terminal principal 1 (Tp1), o TRIAC disparou na primeira tentativa e continuou disparado. Isto comprova a influência do SNUBBER (descarga de C), no disparo do TRIAC sob cargas indutivas.
Caso o leitor venha a realizar a experiência, é deixado ao seu encargo a verificação, com o auxílio do osciloscópio, da forma de onda sobre R, para comprovação da descarga de C. Para confirmação da elevação do dv/dt durante o corte, o capacitor C do SNUBBER foi desconectado do terminal principal 1, e o ângulo de condução foi ajustado para um valor que melhor permitiu a observação do fenômeno.
A forma de onda da figura 8 mostra a elevação do dv/dt durante o corte. Comparando-se as figuras 6 e 8, nota-se uma diferença significativa entre os níveis de tensão indicados.
Prosseguindo, com o osciloscópio, pode-se observar a redução do dv/dt aplicado ao TRIAC.
Para isto, basta conectar o SNUBBER (ligando-se o capacitor C ao terminal principal 1) e ajustar o ângulo de condução para um valor que melhor permitir a observação da atuação do SNUBBER.
A figura 9 mostra a forma de onda sobre o TRIAC e a ondulação correspondente à atuação do SNUBBER durante o corte do TRIAC.
Comparando-se os níveis de tensão indicados nas figuras 8 e 9, pode-se perceber a redução do dv/dt, devido à presença do SNUBBER.
BIBLIOGRAFIA
Deve ainda ser citado, que a parte prática deste trabalho foi quase que totalmente baseada numa experiência de laboratório, descrita no excelente livro intitulado "Laboratório de Dispositivos Eletrônicos", da Editora Guanabara Dois, de autoria dos Profs. Hélio Albuquerque Loureiro e Luiz Eduardo Penna Fernandes.
