INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DIVISÃO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA APLICADA ELE-59 – Circuitos de Chaveamento Prof.: Alexis Fabrício Tinoco S. DIAC E TRIAC 1. INTRODUÇÃO O DIAC (Diode AC) e o TRIAC (Triode AC), em contraste com o SCR, são tiristores bidirecionais, ou seja, capazes de bloquear ou conduzir uma corrente nos dois sentidos. O funcionamento do DIAC e do TRIAC, contudo depende também do “princípio” do emissor curto-circuitado. (a) (b) Figura l - Símbolos, convenções e características V-I do: (a) DIAC e (b) do TRIAC. Nesses dispositivos não tem sentido falar em anodo e catodo. No DIAC é desnecessário dar denominações para os terminais porque, em teoria, o dispositivo e completamente simétrico. Na prática existe alguma assimetria, o que em geral é indesejável. No TRIAC os terminais são denominados: MTl - Terminal principal no l; MT2- Terminal principal no 2 e G porta. Sendo que o terminal MT1 é tomado como referência. 2. DIAC O DIAC pode ser visto como a justaposição de duas estruturas PNPN em ordens inversas (PlN1P2N2 e P2NlPlN3). Cada estrutura é responsável pela condução num sentido, quando disparada. Aplicando-se ao dispositivo uma tensão com a polaridade indicada na figura 2 a estrutura que está apta a conduzir é PlNlP2N2. Nessa hipótese, na região de bloqueio, a junção J1 está diretamente polarizada e a J2, inversamente polarizada, sendo essa a junção responsável pelo bloqueio. A junção J4 esta ligeiramente polarizada no sentido inverso devido à queda ôhmica na região P1 resultante da passagem de uma pequena corrente de fuga pelo dispositivo. Essa corrente ao atingir a região P2 se bifurca em 2 componentes: uma que atravessa lateralmente a região P2 até atingir 0 contacto metálico e outra que atravessa a junção J3, diretamente polarizada. V. 1.1 – Fev. 2006 1/9 A polarização direta dessa junção é uma conseqüência da resistividade não-nula do material da região P2: a passagem de uma corrente (lateral) e acompanhada de uma diferença de potencial que também polariza a junção J3 diretamente. Figura 2 - Estrutura de um DIAC. Alguns tracejados foram suprimidos a bem da clareza do desenho. A relação entre essas 2 componentes de corrente não e fixa: para baixos níveis predomina a que atravessa lateralmente a região P2 e para níveis mais elevados, a que atravessa a junção J3. Para disparar 0 DIAC então, basta elevar a corrente que o atravessa. Assim eleva-se a corrente de emissor do transistor NlP2N2 (corrente através da junção J3) e, portanto o valor de α N1 P2 N2 (no outro sentido seriam o transistor N1P1N3 e a junção J4). O processo convencional de disparo do DIAC consiste na elevação da tensão aplicada acima de um valor (dito) de disparo. Ele também pode ser disparado pelos outros processos comuns a todos os tiristores (elevação de temperatura, incidência de luz, etc). Para permanecer em condução a corrente deve ser maior do que um valor de manutenção. Se a corrente cai abaixo desse valor 0 dispositivo comuta para 0 bloqueio. O processo de corte pode ser acelerado pela passagem de uma corrente de recuperação no sentido inverso ao sentido prévio de condução. Essa corrente contudo e limitada pois existe 0 risco de disparo do DIAC no outro sentido. 3. TRIAC A estrutura de um TRIAC é bem complexa e só pode ser representada em perspectiva. Ela pode ser vista como uma estrutura originariamente de três camadas P2N1P1 onde foram feitas 3 difusões do tipo N: uma N4 em P1 em forma de “L” e as outras duas em P2, retangulares (N2 e N3). Existem 3 contactos metálicos: MT2: sobre Pl e N4 (superfície inferior) MT1: sobre N2 e parte de P2 (superfície superior) G : sobre N3 e parte de P2 (superfície superior) V. 1.1 – Fev. 2006 2/9 Figura 3 - Estrutura de um TRIAC. Alguns tracejados foram suprimidos a bem da clareza. Para compreender 0 seu funcionamento e conveniente ver essa estrutura separada em duas: i) uma principal (sob MTl), idêntica a do DIAC, e responsável pela condução e bloqueio nos dois sentidos, e ii) uma auxiliar (sob G) que possibilita 0 disparo do TRIAC comandado por um terminal de controle (PORTA). O disparo da estrutura principal, a semelhança do DIAC, eleva-se a corrente de emissor do transistor NPN da estrutura de 4 camadas que estiver diretamente polarizada sofre uma elevação, fazendo com que a soma dos α ’s tenda à unidade. Essa elevação da corrente através do TRIAC pode ser obtida como no DIAC ou, graças a estrutura auxiliar, injetando-se ou removendo-se uma corrente pelo terminal PORTA (G), independentemente da tensão no terminal MT2. Existem, portanto 4 modos de disparo do TRIAC via terminal PORTA. a) Quadrante I; VMT2 positivo e IG positivo. b) Quadrante IV; VMT2 positivo e IG negativo. c) Quadrante II; VMT2 negativo e IG positivo. d) Quadrante III; VMT2 negativo e IG negativo. Os mecanismos de disparo nos 4 modos envolvem correntes nas 3 direções e é bastante complexo. Para injetar ou remover uma corrente pela porta é preciso aplicar uma tensão de porta (VG–MT1) positiva ou negativa respectivamente. A amplitude dessa tensão necessária para provocar 0 disparo é pequena (≈ 0,8 V), apenas o suficiente para polarizar diretamente a junção P2N2 (injeção) ou P2N3 (remoção). Acorrente que circula entre os terminais G e MT1 é formada por duas componentes: i) uma pela região P2 no “canal” formado entre as regiões N2 e N3 e, ii) outra pela junção diretamente polarizada (P2N2 ou P2N3). V. 1.1 – Fev. 2006 3/9 Essa segunda componente é responsável pelo disparo. Tal coma no SCR, para 0 TRIAC permanecer em condução uma vez cessado o pulso de disparo é preciso que a corrente através dele (IMT2) seja inicialmente maior do que um valor de “latching” e depois, maior do que um valor de manutenção. O processo de corte é idêntico ao do DIAC. 4. APLICAÇÃO No laboratório será montado e testado 0 circuito da figura 4. Apesar de simples, ele serve para introduzir alguns conceitos e problemas envolvidos no projeto de um circuito empregando TRIAC's. Figura 4 - Circuito para controle de potência sobre uma carga AC usando DIAC's e TRIAC's. (a) (b) Figura 5 - Formas de onda no circuito da figura 4. (a) Carga resistiva e (b) carga indutiva. O corte do TRIAC ocorre próximo ao cruzamento de zero da corrente através dele. 4.1. Funcionamento Nesse circuito 0 controle do ângulo de condução e feito a partir de um defasador RC variável e um DIAC. O TRIAC e disparado no I e III quadrantes; alternando-se, e é cortado quando a corrente tende a inverter. O funcionamento é simples: Suponha 0 TRIAC conduzindo. Quando a corrente tender a inverter, 0 TRIAC corta e a tensão de rede aparece sobre ele e 0 defasador RC (desprezando-se a pequena impedância da carga). A tensão sobre o capacitor cresce V. 1.1 – Fev. 2006 4/9 até atingir (se atingir) a tensão de disparo do DIAC (VD). Nesse momento 0 DIAC dispara e circula um pulso de corrente intensa pela porta do TRIAC. Esse pulso provoca 0 seu disparo e descarrega parcialmente o capacitor. Quando a sua intensidade cai o DIAC corta e a descarga do capacitor prossegue através do potenciômetro e do TRIAC. Ela não e total porque existe uma pequena tensão sobre 0 TRIAC em condução. 4.2. Corte Uma diferença fundamental entre a operação de um TRIAC e de um par de SCR’s como chave AC é que cada SCR só conduz num sentido, dispondo de um longe tempo para se recuperar (maior do que um semi-ciclo). Com 0 TRIAC isso não é possível: ele precisa se recuperar no exíguo intervalo de tempo ao redor do cruzamento de zero da sua corrente enquanto ela é menor do que os valores de manutenção (IH) (no sentido prévio de condução) e de “latching” (IL) (no outro sentido). Se isso não ocorre, 0 TRIAC comuta para condução no outro sentido. Durante 0 processo de corte, a corrente através do TRIAC é formada pela soma de dois componentes: i) uma de recuperação (remoção dos portadores acumulados nas regiões centrais), e ii) outra de deslocamento (dv/dt; remoção de portadores da junção responsável pelo bloqueio direto, J1 ou J2, devido ao seu alargamento). No par de SCR's essa situação só ocorre com aquele SCR que não está apto a disparar (inversamente polarizado). No outro, só circula uma corrente de deslocamento. Vê-se logo que a situação e muito mais crítica para 0 TRIAC. Figura 6 - Componentes de corrente durante 0 processo de corte para (a) 0 TRIAC, e (b) 0 par de SCR's. Neste último, o risco de disparo durante 0 processo de corte só existe após a tensão sobre 0 dispositivo ter invertido a polaridade. Quanto ao tipo de carga, a pior situação para 0 corte do TRIAC (e também para 0 par de SCR's:) ocorre para cargas indutivas. Isso porque 0 corte se da afastado do cruzamento de zero da tensão de rede. Assim a tensão aplicada ao dispositivo após o corte é grande e, portanto também e grande a sua razão de subida (dv/dt) durante 0 processo de corte. 4.3. Rede “Snubber” Uma maneira de reduzir 0 dv/dt submetido ao tiristor tanto em operação AC com DC, consiste em colocar um circuito RC serie em paralelo com ele, conhecido como “snubber”. A determinação dos calores de R e C para cada aplicação em geral é feita por tentativa e erro. V. 1.1 – Fev. 2006 5/9 Figura 7 - Formas de onda durante 0 processo de corte do TRIAC para cargas (a) resistivas e (b) indutivas. No casa (b) a limitação do papel impede uma representação mais exata; a tensão de rede é muito maior do que parece ser. Figura 8 - Efeito do "snubber" sobre o dv/dt. A corrente de carga do capacitor limita o dv/dt da tensão aplicada ao tiristor durante 0 processo de corte. Um outro problema que também pode ocorrer com 0 tiristor sob cargas indutivas é não se conseguir 0 seu disparo devido ao reduzido di/dt. Essa situação aparece quando 0 pulso de disparo termina sem que a corrente através da carga tenha atingido 0 valer de “latching”. O “snubber” reduz esse risco porque fornece um pulso de corrente (descarga do capacitor) que se soma a corrente pela carga possibilitando talvez atingir o valor de “latching” (IL). 4.4. Histerese Um inconveniente do circuito da figura 4 é apresentar uma histerese no controle do ângulo de condução. Elevando-se 0 valor de R, reduz-se esse ângulo até um valor mínimo. A partir desse ponto cessam os disparos do TRIAC. Para reiniciar os disparos e preciso então reduzir ate um valor menor do que 0 mínimo ângulo de condução. V. 1.1 – Fev. 2006 6/9 (a) (b) (c) Figura 9 - Disparo de tiristores sob cargas indutivas. (a) convenções, (b) insucesso devido ao reduzido di/dt, (c) efeito do "snubber". (a) (b) Figura 10 - Histerese no circuito da figura 4. (a) curva de controle do ângulo de condução em regime para uma carga resistiva. (b) Formas de onda para um ponto da região II - carga resistiva. Esse fenômeno é 0 resultado de 2 fatos: i) o defasador RC reduz a amplitude da solução de regime linear (senoidal, sem disparos) da tensão sobre 0 capacitor à medida que aumenta a sua defasagem, e ii) a solução de regime não-linear (com disparo) está acima nos semi-ciclos positivos e abaixo, nos negativos, da solução de regime linear. V. 1.1 – Fev. 2006 7/9 Então, (devido a (i)) é possível reduzir a amplitude da solução linear abaixo de VD e (devido a (ii)) se ter ainda a solução não-linear atingindo VD. Isso é o que ocorre na região II; são possíveis as duas soluções: Observe: Não há disparo ===> solução linear ====> não há disparo ↑__ porque a solução linear não atinge VD Há disparo ===> solução não linear ====> há disparo ↑__ porque a solução não-linear atinge VD 4.5. Diac de três camadas A1guns dispositivos, apesar de comercializados sob 0 nome DIAC não possuem a estrutura da figura 2. São na verdade estruturas de 3 camadas (NPN) seme1hantes a um transistor simétrico e sem 0 terminal de base. A característica VI desses dispositivos apresenta uma região de resistência incremental negativa (RIN) que se estende por toda a faixa de corrente acima de um valor de disparo (IBR). Não existe, portanto um "vale" e, logo, uma corrente de manutenção. Figura 11 - DIAC de 3 camadas (NPN). Estrutura, símbolo e característica VI. ODIAC de 3 camadas substitui perfeitamente o de 4 camadas coma dispositivo para gatilhar 0 TRIAC e, provavelmente, e mais barato. 5. PROCEDIMENTO 5.1. Chave AC usando TRIAC Monte 0 circuito da figura 12 sem ligar 0 "snubber". Escolha uma disposição adequada para se ter fácil acesso aos pontos de medida (PM), pois existem os perigos de choques e queimaduras. Carga resistiva 1. Observe 0 funcionamento do circuito sob carga resistiva (curto-circuitar 0 indutor) verificando o comportamento do ângulo de condução (máximo e mínimo). 2. Meça com o auxilio do osciloscópio os ângulos de condução máxima, mínima e de “religamento” (aquele em que volta a ocorrer 0 disparo do TRIAC). V. 1.1 – Fev. 2006 8/9 3. Ajuste o potenciômetro para um valor que permita um bom disparo do TRIAC. 4. Trace as formas de onda dos sinais de tensão sobre 0 capacitor do defasador RC, da tensão no TRIAC (VMT1-MT2) e da tensão na carga para a situação de ocorrência de disparo. Use um gráfico para cada sinal com a mesma escala de tempo (fase) e alinhe os eixos verticais. Respeite as relações de fase entre os sinais. Use gatilhamento pela rede. 5. Trace também a forma de onda do sinal de tensão sobre 0 capacitor do defasador RC para a situação de não ocorrência de disparos. Use o mesmo gráfico anterior. Figura 12 - Circuito a TRIAC para teste no laboratório. Se não for usado 0 transformador de isolação então é preciso isolar o pino TERRA dos instrumentos. Carga indutiva 1. Observe agora 0 funcionamento do circuito sob carga indutiva (remova 0 curto-circuito sobre 0 indutor) sem "snubber". Com 0 auxilio do osciloscópio veja o sinal de tensão sobre 0 TRIAC e observe as tentativas de disparo devido ao reduzido di/dt. Trace um esboço do sinal de tensão no TRIAC e da corrente pela carga; para orientação, trace também a senóide da tensão da rede. Respeite as relações de fase, use gatilhamento pela rede (LINE). V. 1.1 – Fev. 2006 9/9