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Tiristores na Indústria - Artigo

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  • 1. TIRISTORES NA INDÚSTRIA BRENNER E. S. ARAÚJO, GERALDO M. O. CAMPOS, ÍCARO M. N. DE ALCÂNTARA, LUISMAR B. TEIXEIRA, JOSÉ M. N. BRANDÃO, NIKOLAS S. LIMA E VITOR L. OLIVEIRA Desenvolvimento de Circuitos Eletrônicos, Tecnologia em Automação Industrial, Faculdade de Tecnologia Senai Ítalo Bologna Endereço para Correspondência E-mails: geraldomoc@hotmail.com, kikoplay11@yahoo.com.br, luismar.gaveta@hotmail.com, marinho@marinhobrandao.com, nikolas.slima@gmail.com, vitorliberato133@gmail.com Abstract: Study about application of thyristors – solid state four layers p-n-p-n semicondutors – in the industry, both in manufac- ture stage and as part of end product. The thyristors are more commonly represented by Silicon Controlled Rectifiers – the SCRs – but are also represented by many authors by TRIACs, DIACs, MOSFETs and others. In thits study, their represented more ac- curacy than contactors, relays and other devices, specially on high volgate networks and power conversion. Keywords: Thyristors, SCR, TRIAC, Power Electronics, DIAC, pnpn, solid state, Shockley diode, switching Resumo: Estudo sobre a aplicação de tiristores – semicondutores de 4 camadas p-n-p-n de estado sólido – na indústria, seja na etapa de produção, seja como parte do produto final. Os tiristores são mais comumente representados pelos Retificadores Contro- lados de Silício – os SCRs – mas também são representados por muitos autores por TRIACs, DIACs, MOSFETs e outros. Neste estudo, representaram resultados de maior precisão e controle de que contatoras, relés e outros dispositivos, especialmente para redes de alta tensão e conversão de potência. Palavras-chave: Tiristores, SCR, TRIAC, Eletrônica de Potência, DIAC, pnpn, estado sólido, diodo de Shockley, chaveamento 1 Introdução 2 Fundamentação Teórica 1.1 História do Tiristor 2.1 Definição e funcionamento do Tiristor Read e Shockley (1950), propuseram o “diodo O Tiristor é um dispositivo semicondutor de 4 de Shockley”, um dos primeiros dispositivos semi- camadas, ordenadas como p-n-p-n (positivo-negati- condutores inventados. Em 1956, Shockley seria um vo-positivo-negativo), sendo as camadas positivas dos 3 ganhadores do prêmio Nobel de Física por ser dopadas com maior incidência de lacunas e as cama- co-autor do Transistor, o dispositivo semicondutor das negativas dopadas com maior incidência de elé- tido como uma das mais importantes invenções do trons. século. Essa disposição de camadas permite que, ao receber O diodo de Shockley era apoiado pela “Lei do Dio- corrente no terminal positivo intermediário, inicia-se do”, ou “Equação ideal do diodo de Shockley” (con- um ciclo que permite a passagem de corrente direcio- forme descrito por Sah em 1991) e não tinha conexão nal do terminal Anodo para o Catodo - pelo modelo de gatilho. Ebers (1952) estudou o modelo proposto convencional - sem a necessidade da manutenção de com 4 terminais e funcionalidade de chaveamento. corrente no terminal de Gatilho. Moll (1954) aprimorou o dispositivo, investigando As diversas variantes de tiristores exploram essa fun- suas atribuições de gatilho, e usando-o como chave. cionalidade de formas variadas com aplicações espe- No fim da década de 1950, a Bell Labs iniciou a co- cíficas, mas sua definição básica permanece apoiada mercialização dos tiristores em escala industrial, o por esses fundamentos. que acabou tornando o “diodo de Shockley” obsoleto e desde então, diversas variedades do tiristor foram 2.2 Os 3 estados do Tiristor desenvolvidas para o mercado. Das invenções de Shockley, Gordon Moore, John O tiristor pode permanecer em 3 estados (Wiki- Bardeen, Robert Noyce e outros, iniciaram-se os la- pedia, 2010), a depender da passagem de corrente em boratórios e indústrias que formaram o polo tecnoló- seus terminais: gico hoje conhecido como “Vale do Silício”. Daí nota-se a importância que as pesquisas com semicon- • Bloqueio no modo inverso - a tensão está dutores de tais cientistas tiveram na história posterior sendo aplicada na direção do Catodo para o à sua época. O tiristor por sua vez foi um dos respon- Anodo, portanto não há passagem de cor- sáveis pela grande evolução da Eletrônica de Potên- rente cia a partir da década de 60 (descrito pela Wikipedia • Bloqueio no modo direcional - o que signifi- 2010). ca que mesmo havendo tensão no Anodo, a corrente não é estabelecida pois ainda não
  • 2. houve tensão no Gatilho o suficiente para seu largo uso na indústria como dispositivo de ampli- estabelecer a passagem de corrente ficação e retificação. Resultado das pesquisas de • Conduzindo no modo direcional - o que sig- Moll em 1954, sua diferença para o diodo de Shock- nifica que houve um pulso de tensão sufici- ley original foi a adição do terminal de gatilho, man- ente para iniciar a passagem de corrente en- tendo a estrutura p-n-p-n original. tre o Anodo e o Catodo, portanto o dispositi- Este dispositivo não é bidirecional, ou seja, só con- vo se comporta de maneira semelhante à de duz em um sentido, retirando ao sinal da porta o SCR um curto circuito, descontando-se sua natu- não desliga. Pode ser desligado por dois métodos: in- ral queda de tensão. terrupção de corrente no anodo e comutação forçada. Desta forma, o SCR tem múltiplas atribuições dife- 2.3 Como interromper a corrente no Tiristor rentes, sendo por vezes utilizado com mais eficiência do que transistores (por ter sentido direcional associ- Uma vez dado o pulso suficiente para estabele- ado com o acionamento por pulso) e outras vezes cer a corrente, não é mais necessária tensão no gati- sendo utilizado no lugar de diodos, como “alavanca” lho para que a corrente se mantenha, portanto as for- como proteção contra sobrecarga de tensão. mas possíveis (Wikipedia, 2010) para interrompê-la Existem ainda variantes do SCR como o ASCR - Re- são: tificador Controlado de Silício Assimétrico - e o LASCR - Retificador Controlado de Silício Ativado • Curto-circuitar o dispositivo por Luz. • Levar a corrente do Anodo a níveis abaixo da corrente de manutenção 3.2 SCS - Chave Controlada de Silício • Comutação forçada (aplicar uma corrente Também conhecido como Tiristor Tetrodo, pos- oposta à condução direta) sui gatilho tanto para o Anodo quanto para o Catodo e é usado para chaveamento. A presença de dois ter- 2.4 Aplicações mais Comuns minais de gatilho faz com que ele tenha uma maior Na indústria, os tiristores são comumente usados precisão de controle (descrito por Kuphaldt, 2000), onde grandes quantidades de corrente e tensão estão particularmente sobre o modo de falha chamado “co- envolvidas, usando a mudança da polaridade da cor- mutação forçada”, permitindo que o mesmo seja des- rente como fator para desligar o dispositivo. ligado por uma força externa sem necessidade de in- Desde seu lançamento comercial, no fim da década terrupção na corrente de manutenção. de 1960, o tiristor tem sido aplicado nas mais varia- das situações. 3.3 GTO - Tiristor de Desligamento pelo Gatilho São aplicados no uso de circuitos de retardo de tem- Sigla para “Gate Turn-Off”, o GTO trata-se de po, fontes de potência reguladas, chaves estáticas, um tiristor com maior poder de definição para desli- controles de motor, inversores, ciclo-conversores, gamento, pois não somente permite o fechamento da carregadores de bateria, circuitos de proteção, con- corrente através de pulso de tensão no gatilho, mas troles de aquecedores. também permite o desligamento no caso de inversão O TRIAC de baixa potência é utilizado como contro- da direção da corrente também no gatilho, o que re- lador de potência para lâmpadas dimmers, controles mete a três estados: de velocidade para ventiladores. • Sem tensão no gatilho - permanece o estado Na década de 1970, tiristores foram parte importante atual, seja aberto, seja fechado da geração de televisores da época, usado interna- • Tensão positiva no gatilho - inicia ou man- mente como um SCR em associação com um DIAC tém a corrente entre o Anodo e o Catodo para controlar o fornecimento de potência (Wikipe- dia, 2010). • Tensão negativa no gatilho - o gatilho assu- me a passagem da corrente e interrompe sua passagem entre o Anoto e o Catodo. 3 Os diversos tipos de Tiristores 3.4 DIAC - Diodo para Corrente Alternada A variedade de tiristores hoje disponíveis no mercado vai de pequenos dispositivos para baixa ten- Também conhecido como “Diodo de gatilho si- são a tiristores para retificação de alta tensão em cor- métrico” ou “SIDAC”, possui características diferen- rente contínua (HVDC). Existem também as chama- tes dos demais tiristores, pois além de não possuir das pilhas de válvulas para transmissão de energia terminal de gatilho, permite corrente bi-direcional, em longas distâncias. portanto não é adequado classificar seus terminais Veja a seguir os tipos mais conhecidos: como Anodo ou Catodo. O DIAC (descrito por Sze e Ng, 2007) assemelha-se 3.1 SCR - Retificadores Controlados de Silício a um diodo Zener, que permite a passagem de corren- te após a tensão exceder o máximo da camada de Evoluído a partir do diodo de Shockley, o SCR ruptura, mas ainda assim é diferente por permitir a tornou-se o mais popular tiristor, especialmente pelo passagem de corrente em ambas as direções. Após
  • 3. iniciar a corrente com a tensão característica do dis- positivo, sua resistência cai e sua condução mantém- 4.1 SCR se de forma semelhante à de circuito fechado. A Figura 2 demonstra a simbologia mais comum do tiristor SCR. 3.5 TRIAC - Triodo de Corrente Alternada Também chamado de “Tiristor Triodo Bi-direci- onal” (descrito por Sze e Ng, 2007), este dispositivo equivale a dois SCR conectados inversamente parale- los e seus gatilhos ligados por um só terminal. Um TRIAC pode ser disparado tanto por uma corren- te positiva quanto negativa aplicada em sua porta. Ele continua a conduzir até que a corrente elétrica caia abaixo do valor de corte. Uma grande vantagem dele, é no controle de corrente alternada, que propor- ciona acionar grandes potências com circuitos acio- nados por correntes da ordem de miliampere. Difere-se do SCR principalmente por permitir passa- gem de corrente em ambas as direções, e é disponível Figura 2: O mesmo símbolo de tiristores é o do SCR tanto para pequenas quanto para elevadas tensões e correntes. 4.2 SCS Representação esquemática na Figura 3. 3.6 MCT - Tiristor Controlado por MOS Este tipo de tiristor se assemelha ao GTO, por permitir desligamento controlado por um gatilho, po- rém seus gatilhos de ligamento e desligamento são controlados por um dispositivo MOSFET, que se tra- ta de um tipo de transistor. 3.7 Outros tipos de Tiristores Há diversos outros tipos de tiristores, muitos de- les desenvolvidos a partir dos tipos mais comuns ou a partir da combinação deles. Figura 3: Chave Controlada de Silício 4 Simbologia 4.3 GTO A simbologia mais comum de tiristores em geral possui um Anodo, um Catodo e um Gatilho, como Representação esquemática na Figura 4. pode ver na Figura 1. Figura 4: Tiristor de Desligamento pelo Gatilho Figura 1: Símbolo genérico de tiristores Entretanto, para cada tipo de tiristor, há uma simbo- logia específica. Seguem abaixo o desenho respecti- vo para os tipos mais conhecidos e/ou seus respecti- vos circuitos equivalentes:
  • 4. 4.4 DIAC Representação esquemática na Figura 4. Figura 5: Símbolo do DIAC 4.5 TRIAC Representação esquemática na Figura 6. Figura 7: Esquema de sistema controlado por contatora Neste caso o chaveamento é feito mecanicamente, desgastando rapidamente. Figura 6: Símbolo do Veja a seguir o gráfico da variação da temperatura TRIAC em torno do set point (temperatura ideal) ao longo do tempo quando da alternância ligado/desligado usando uma contatora. 5 Estudo de caso: Conversores Tiristorizados de Potência 5.1 Definição Conversor tiristorizado de potência trata-se de da implementação de circuitos onde um conjunto de ti- ristores é usado para o controle de potência de uma determinada carga. A situação alternativa para essa situação é a imple- mentação de contatoras, chavedas pela variação da corrente fornecida por sensores, como por exemplo o Figura 8: Variação da temperatura controlada por contatora sensor de temperatura. No caso da Laticínios Bela Vista, essa implementa- Neste caso a variação entre temperaturas mínima e ção foi aplicada em casos onde havia a necessidade máxima é alta, pois o chaveamento mecânico não de controle mais preciso sobre a temperatura do for- tem a mesma precisão que o tiristor. no, onde a solução da contatora tornava-se inviável, já que sua variação em torno do set point é acima do 5.3 Controle através de Tiristores permitido. Um conjunto de tiristores então foi usado, sendo aci- Já na solução através de Conversor Tiristorizado de onado constantamente pela variação da corrente do Potência, a variação da temperatura em torno do set sensor de temperatura. Em caso de queda da tempe- point é reduzida para valores próximos do ideal, de ratura abaixo da faixa permitida, os tiristores são aci- acordo com o esquema abaixo. onados, aumentando novamente a temperatura, em caso contrário, são desligados e assim conseguem um resultado mais próximo da faixa ideal. Além de ter maior precisão, esta solução também permite maior economia de uma forma geral, já que por muitas vezes seu consumo de energia torna-se menor e o desgaste dos dispositivos reduz a quase zero. O ruído causado também é reduzido drastica- mente, já que não possui chaveamento mecânico como ocorre com as contatoras. Figura 9: Esquema de sistema controlado por ponte de tiristo- 5.2 Controle através de contatora magnética res O fluxo da solução através de contatora resume- Como pode-se observar acima, desta vez com o cha- se no fornecimento de energia ao forno que é chavea- veamento sendo tratado através de tiristores (uma do pelas contatoras. Elas por sua vez são acionadas ponte de SCRs) a mesma variação detectada pelo quando o sensor de temperatura (termopar) atinge o sensor de temperatura (termopar) é tratada pelo con- limite programado, que é analisado por um controla- trolador de temperatura. dor.
  • 5. de carbureto de silício ou cargas não lineares Custo do kW médio Menor Maior 4 Conclusão A invenção do tiristor faz parte da revolução dos semicondutores no meio do século 20 e abriu o cami- nho para o Vale do Silício e toda a virada tecnológica proporcionada por seus pesquisadores, empresas e la- Figura 10: Variação da temperatura controlada por ponte de ti- boratórios. O tiristor foi parte do nascimento da Ele- ristores trônica de Potência na indústria e hoje é largamente utilizado em inúmeras e diferentes aplicações. Neste caso a oscilação ao longo do tempo não só atinge temperaturas mínima e máxima mais próximas O estudo sobre tiristores nos permitiu observar a como também o chaveamento ligado/desligado ocor- aplicação de semicondutores de uma forma mais ab- re em frequência muito mais curta, aumentando sua rangente e também abriu o mente para a necessidade precisão. Como o chaveamento não é mecânico, não em estudar a Eletrônica de Potência. há problemas com desgaste por essa variação mais A constante diferença entre definir TRIACs, MOS- frequente. FETs e DIACs como tiristores ou não nos fez tam- bém observar outro campo relacionado: o de relés de estado sólido, que por muitas vezes abrange tais dis- 5.4 Resultados alcançados positivos. O departamento da empresa responsável pela implementação da solução usando conversor de po- Referências Bibliográficas tência observou ganhos com economia com desgaste dos dispositivos e principalmente com a qualidade obtida no processo de produção de um produto sensí- Ebers, J. J. (1952). Four-terminal p-n-p-n transistors. vel à variação de temperatura. Proc. IRE, Vol. 40, No. 2; pp. 1361-1364. A tabela a seguir, publicada pela Therma (2010) de- Kuphaldt, T. R. (2000). Lessons In Electric Circuits monstra um comparativo entre os números registra- (e-book), AllAboutCircuits.com. dos para solução com contatora e solução com con- http://www.allaboutcircuits.com/vol_3/chpt_7/9. versor tiristorizado de potência. html (acessado em 5 de setembro de 2010) Moll, J. L. (1954). Large Signal Transient Response Tabela 1: Comparativo de resultados of Junction Transistors. Proc. IRE Vol 42, pp. Item avaliado Ponte de Tiristores Contatora 1773. Read, W. T. and Shockley, W. (1950). Dislocation Freq. de comutação Muito alta Baixa Models of Crystal Grain Boundaries. Phys. Rev. Tipo sinal controle 4~20mA, 0~10Vcc, etc ON OFF 78, pp. 275–289. Qualidade controle Muito alta Baixa Sah, Chih-Tang, (1991). Fundamentals of solid-state Oscilação Temperatura Nenhuma Inevitável electronics. World Scientific, pp. 432 Desgaste mecânico Nenhum Conforme frequência Sze, S. M. and Kwok K. Ng (2007). Physics of semi- de comutações conductor devices. Wiley-Interscience, pp. 577. Durabilidade Ilimitada 100.000 a 250.000 Therma (2010). Conversores de Potência Tiristoriza- operações dos: Aplicações e Vantagens. Therma.com.br. Vibração mecânica Nenhuma Grande http://www.therma.com.br/palestra.pdf (acessado Vida útil do elemento Alta Baixa em 5 de setembro de 2010) aquecedor Wikipedia (2010). Thyristors. Tempo de resposta Pequeno Grande http://en.wikipedia.org/wiki/Thyristor (acessado Tipo de comutação Sempre na tensão zero Em qualquer valor de em 5 de setembro de 2010) tensão Wikipedia (2010). Tiristores. Faiscamento Nenhum Grande http://pt.wikipedia.org/wiki/Tiristor (acessado Interferência na rede Pequena Média em 5 de setembro de 2010) Exige supressor de ruí- Não Sim do no comando Manutenção preventiva Anual Mensal Demanda elétrica Menor Maior Permite limitação de Sim Não corrente Unidade maior é reser- Sim Não va para menor Controle de elementos Sim Não