ATIVIDADE PRÁTICA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA – UNINTER

Atividade Prática de Eletrônica de potência
OBJETIVO
Essa atividade tem como intuito colocar em prática todos os conceitos
abordados na disciplina de eletrônica de potência, aplicando uma atividade prática
usando tiristores.
MATERIAL UTILIZADO
Para a realização dos experimentos será utilizado o simulador online de
circuitos MultiSIM Live, cujo acesso deverá ocorrer através do site:
www.multisim.com.
REFERENCIAL TEÓRICO
A atividade prática é baseada no uso dos tiristores, componentes amplamente
usados na indústria na área de eletrônica de potência.
O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que
operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas
semicondutoras numa sequência p-n-p-n, apresentando um funcionamento
biestável. O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de
Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no
entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz),
TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor
comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS), IGCT (Tiristor controlado
com gate isolado).
O dispositivo SCR (Sillicon Controlled Rectifier ou Retificador Controlado de
Silício) é um diodo controlado de silício. Este componente faz parte da família dos
tiristores. Os tiristores são uma família de componentes que possuem em comum
a característica do disparo, que será explicada mais a diante. O SCR é construído
por quatro camadas de material semicondutor: PNPN ou NPNP. Ele possui três
terminais, chamados anodo, cátodo e gatilho. A Figura 1 mostra o símbolo usado
para representá-lo.
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Figura 1 – SCR
O DIAC, ou Diode for Alternating Current, é um gatilho bidirecional, ou diodo
que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida, e para de
conduzir quando a corrente elétrica cai abaixo de um valor característico, chamada
de corrente de corte. Este comportamento é o mesmo nas duas direções de
condução de corrente. A tensão de disparo é por volta dos 30 volts para a maioria
destes dispositivos. Este comportamento é de certa forma similar, porém mais
precisamente controlado e ocorrendo em menor valor, ao comportamento de uma
lâmpada de neon. Na Figura 2 temos o símbolo desse componente
Figura 2 – Símbolo do DIAC
O DIAC é normalmente usado para disparar TRIACs e SCRs
O TRIAC funciona como um interruptor controlado e apresenta as mesmas
características funcionais de um SCR. No entanto, ele possui a vantagem de poder
conduzir nos dois sentidos de polarização. A Figura 3 mostra sua simbologia.
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Figura 3 – TRIAC
A Figura 4 mostra a curva característica real de um TRIAC.
Figura 4 – Curva de um TRIAC
O TRIAC entra em condução de modo análogo ao SCR, ou seja:
– Disparo por gatilho, ou seja, quando for aplicada uma corrente de gatilho;
– Disparo por sobretensão, ou seja, quando VAK ultrapassa a tensão de
breakover sem pulso no gatilho;
– Disparo por variação de tensão;
– Disparo por aumento de temperatura.
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Em condução, a queda de tensão entre os terminais MT1 e MT2 geralmente
está entre 1 e 2 V. O TRIAC pode ser disparado tanto por pulso positivo, quanto
por pulso negativo. Isso não consegue ser explicado pela analogia a dois SCRs em
anti-paralelo, já que o SCR só é disparado por pulso positivo em relação ao seu
cátodo.
Existem quatro modos diferentes para disparo de um TRIAC, operando em
quatro quadrantes. Tomando-se MT1 como referência, os quatro quadrantes são
definidos pela polaridade de MT2 e o gatilho (G) em relação a MT1. A seguir são
detalhados estes quatro modos de disparo.
a) Disparo no 1° quadrante – os terminais MT2 e gatilho (G) estão positivos
em relação a MT1.
b) Disparo no 2° quadrante – o terminal MT2 está positivo e o terminal G está
negativo, ambos em relação a MT1.
c) Disparo no 3° quadrante – o terminal MT2 está negativo e o terminal G está
negativo, ambos em relação a MT1.
d) Disparo no 4° quadrante – o terminal MT2 está negativo e o terminal G está
positivo, ambos em relação a MT1. Logo, a corrente entra em G. A Figura 5
apresenta os quatro quadrantes de operação de um TRIAC
Figura 5 – Quatro quadrantes de operação de um TRIAC
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No 1° e 3° quadrantes, obtêm-se maior sensibilidade de disparo para o TRIAC
em relação às outras possibilidades. No 4° quadrante, a sensibilidade é pequena;
e no 2° quadrante, é ainda mais reduzida, devendo ser utilizada somente em
TRIACs concebidos especialmente para este fim. Portanto, o disparo de um TRIAC
não é simétrico, ou seja, não dispara nas mesmas condições para os quatro
quadrantes.
A Figura 6 mostra um circuito de controle de onda completa utilizando TRIAC.
Figura 6 – Circuito de controle de onda completa com TRIAC
Considerando que este TRIAC possui módulos iguais de corrente de disparo
(IGT= 50 mA) para o 1° e o 3° quadrantes, podemos calcular em quais ângulos
serão efetuados os disparos. Para isso, vamos considerar que a queda de tensão
típica de disparo entre G e MT1 é VGT = 1,2 V.
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𝐼𝐺𝑇 =
𝑉𝑟𝑒𝑑𝑒 − 1,2
𝑅1
→ 50𝑋10−3 =
𝑉𝑝𝑋𝑠𝑒𝑛𝛼 − 1,2
47 =
127𝑋√2𝑠𝑒𝑛𝛼 − 1,2
47
𝑠𝑒𝑛𝛼 = 0,0198 → 𝛼 = 1,13°
Portanto, o TRIAC irá disparar em 1,13° (1° quadrante) e em 181,13° (3°
quadrante). É importante lembrar que o TRIAC bloqueia quando o sinal de corrente
entre os terminais MT1 e MT2 passa pelo zero da senoide. No caso deste circuito,
como a carga (lâmpada incandescente) é puramente resistiva, a tensão passa por
zero no mesmo instante da corrente, ou seja, a tensão e a corrente estão em fase.
Neste circuito a lâmpada receberá praticamente todo o ciclo de onda, de acordo
com a Figura 7.
Figura 7 – Forma de onda de tensão VR sobre a carga
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PRÁTICA APLICADA
Observe o circuito a seguir da Figura 8:
Figura 8 – Controle de tensão em carga resistiva
Verificando no datasheet do TRIAC temos IGT = 10 mA e VGT = 2,0 V
a) Calcule os valores do resistor fixo R1 para disparo do TRIAC em 10°, 20°, 30°,
60° e 90° em relação à tensão da rede.
Exemplo: Disparo em 10°
𝑉𝑟𝑒𝑑𝑒 − 𝑅𝑋 ∗ 𝐼𝐺𝑇 − 𝑉𝐺𝑇 = 0
𝑅𝑋 =
𝑉𝑟𝑒𝑑𝑒 − 𝑉𝐺𝑇
𝐼𝐺𝑇
=
220 ∗ √2 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛼 − 2
0,010
𝑅𝑋 = 5202 Ω
Preencha a tabela com os outros valores calculado através da fórmula dada:
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Angulos de
Disparo (α)
R1 (Ω)
10° 5203
20°
30°
60°
90°
B) Simule o circuito da letra A para cada ângulo (10°, 20°,30°, 60° e 90°) e
disponibilize a forma de onda medida.
Para usar o multisim on-line abra o circuito abaixo:
https://www.multisim.com/content/g3AZA4pnr53yxFfNvyPALb/triac1/open/
Exemplo de disparo em 10° na Figura 9 – Disparo em 10°Figura 9:
Figura 9 – Disparo em 10°
O valor entre os cursores foi de 503,43µ que equivale mais ou menos aos 10º
calculados.
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C) Um DIAC é um diodo de corrente alternada. Geralmente ele é utilizado como
dispositivo de disparo do TRIAC. Basicamente, trata-se de um TRIAC sem gatilho.
Portanto, ele só dispara quando a tensão aplicada sobre ele atinge as tensões de
disparo VD. Geralmente este valor se encontra entre 20 e 40 volts. Trata-se de um
dispositivo simétrico, ou seja, ele possui as mesmas condições de disparo tanto
para o 1°, quanto para o 3° quadrantes. Portanto, ele corrige o problema de
antissimétria de disparo do TRIAC, de acordo com o circuito dimmer da Figura 10.
Neste contexto analise o circuito a seguir:
Figura 10 – Dimmer
O capacitor C1 atrasa a tensão aplicada sobre o DIAC. Então, é comum dizer
que se trata de disparo por rede defasadora. Portanto, torna-se possível disparar o
TRIAC com ângulos maiores que 90° e 270°, pois a tensão sobre o capacitor,
atrasada em relação à tensão da rede, é quem vai disparar o DIAC e,
consequentemente, o TRIAC (Figura 10)
Acesse o seguinte circuito no multisim online:
https://www.multisim.com/content/apFtGGBH6iZoibCz99VVWk/diac-triac/open/
Ajuste o potenciômetro para conseguir disparos maiores que 90°, salve a tela
do osciloscópio do Multisim e copie no seu relatório.
Colocar pelos menos 3 formas de ondas de disparos maiores que 90° no
relatório. Na figura deve estar claro o valor medido com os cursores

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