Por que um fio deve ser mais grosso para suportar uma quantidade maior de corrente alimentando um dispositivo?

Um dispositivo semicondutor da família dos tiristores, indispensável em eletrodomésticos alimentados pela rede de energia é o Triac. Este comutador de potência para corrente alternada tem características que todo profissional da eletro-eletrônica deve conhecer. Neste artigo explicamos o seu princípio de funcionamento e damos algumas aplicações práticas.

Os triacs são dispositivos semicondutores de silício da família dos tiristores que tem outros elementos bastante conhecidos como os SCRs, Diacs, SUS, etc. (Veja nota abaixo)

Mais sobre o funcionamento de todos os dispositivos desta família pode ser visto em artigos no site e no nosso Curso de Eletrônica – Eletrônica Analógica.

Partindo do princípio de funcionamento do SCR que é um dispositivo que conduz a corrente num único sentido, podemos imaginar um triac como dois SCRs ligados em oposição, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 – Um triac equivale a dois SCRs em oposição

No entanto, na prática, o que temos é uma estrutura única que se comporta da mesma forma, mas apresentando algumas características próprias importantes.

Na figura 2 temos a estrutura do triac e o símbolo que adotamos para sua representação.

Figura 2 – Triac, estrutura e símbolo

Os triacs são ligados em série com a carga que devem controlar e o circuito é alimentado diretamente pela rede de energia, conforme mostra a figura 3.

Figura 3 – Modo de ligar o triac

O triac apresenta uma característica conforme a curva mostrada na figura 4.

Figura 4 – Curva característica do triac

Observe que sua condução é bilateral, com uma característica simétrica, o que significa que ao ser disparado ele pode conduzir nos dois sentidos da mesma forma.

O disparo do triac é obtido aplicando-se uma tensão na comporta, normalmente utilizando-se um resistor limitador para o caso de corrente contínua, ou ainda um componente de disparo como um diac.

Na figura 5 temos o modo de se fazer o disparo com uma tensão contínua.

Figura 5 – Disparo por tensão contínua

Os TRIACs diferentemente de outros membros da família dos tiristores, podem ser disparados por correntes positivas ou 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 TRIAC em quatro quadrantes, conforme mostra a figura 6.

Figura 6 – Modos de disparo do Triac

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, a polaridade 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.

Quando analisamos o triac num controle de potência e o comparamos a um SCR, vemos que, enquanto um conduz a corrente num único sentido, o outro conduz nos dois sentidos, conforme mostra a figura 7.

Figura 7 – Condução dos dois semiciclos para o triac

Os triacs, como os SCRs, quando conduzem a corrente apresentam uma queda de tensão da ordem de 2 volts entre seus terminais principais.

Quando a corrente é intensa, estes 2 V multiplicados pela corrente representa uma boa quantidade de calor gerado.

Assim, conforme mostra a figura 8, os triacs devem ser montados em dissipadores de calor.

Figura 8 – Montagem do triac em dissipador de calor

Uma outra informação importante para o uso do triac está no fato de que os pulsos de disparo podem ser menores em duração do que os semiciclos da corrente alternada que deve ser conduzida, conforme mostra a figura 9.

Figura 9 – Duração dos pulsos de disparo

Para as aplicações práticas, podemos encontrar diversos triacs de baixo custo em invólucros plásticos da série TIC que podem trabalhar com correntes de 4 a 16 ampères.

Estes triacs apresentam sufixos que indicam a tensão máxima que suportam entre seus terminais que é a tensão que aparece neles quando desligados.

Assim, tomando como exemplo o TIC206, temos os seguintes sufixo com as tensões de trabalho:

TIC206A- 100 V

TIC206B – 200 V

TIC206C – 300 V

TIC206D – 400 V

TIC206E – 500 V

TIC206M – 600 V

TIC206S – 700 V

TIC206N – 800 V

Em especial são comuns o TIC206B usado na rede de 110 V e o TIC206D usado na rede de 220 V.

Circuitos de Aplicação

Damos a seguir uma série de circuitos simples para triacs.

Estes circuitos são para os triacs da série TIC2xx da Texas Instruments que tem as características dadas pela tabela abaixo.

Estes triacs necessitam de uma corrente mínima de gate de 50 mA para o disparo e devem ser montados em dissipadores de calor.

a) Interruptor de potência

O primeiro circuito apresentado é de uma chave de potência que, usando uma tensão continua de apenas 6 V pode controlar cargas ligadas na rede de energia.

O circuito apresentado está na figura 10 e mostra como carga uma lâmpada incandescente comum.

Figura 10 – Chave de potência

Como a corrente de gate é baixa, interruptores de baixa corrente como reed switches, chaves de fim de curso e sensores podem ser utilizados no controle de cargas de altas correntes.

b) Interruptor de potência II

O circuito apresentado na figura 11 utiliza a própria tensão da rede para o disparo, mas com corrente muito menor, o que também leva a possibilidade de se utilizar chaves de baixa corrente.

Figura 11 – Chave de potência II

O valor do resistor entre parênteses é para a rede de 220 V.

c) Duas potências

O circuito apresentado na figura 12 permite comutar o modo de disparo conseguindo-se assim duas potências para uma carga resistiva controlada ou mesmo um motor universal.

Figura 12 – Circuito de duas potências

Numa posição, o disparo é feito nos dois semiciclos e a potência conduzida é total.

Na outra posição o diodo faz com que o disparo ocorra em apenas metade dos semiciclos e com isso a potência aplicada à carga é reduzida à metade.

Não use este circuito com lâmpadas eletrônicas ou lâmpadas fluorescentes.

d) Eliminando interferência irradiada

Os triacs, como ouros dispositivos rápidos de potência, geram interferências que podem ser irradiadas para aparelhos sensíveis nas proximidades, tais como receptores de rádio e televisores analógicos.

Para eliminar as interferências irradiadas uma primeira solução consiste em se montar o controle numa caixa metálica e aterrá-la, conforme mostra a figura 13.

Figura 13 – Eliminando interferências por aterramento

e) Filtro contra interferências

Uma solução melhor para se eliminar interferências consiste no uso de um filtro, conforme mostra a figura 14.

Figura 14 – Filtro contra interferências via rede

Este filtro pode ser intercalado tanto entre o aparelho interferente e a rede como entre o aparelho interferido e a rede.

Os capacitores devem ser de poliéster com pelo menos 200 V de tensão de trabalho para o caso da rede de 110 V e 400 V para o caso da rede de 220 V.

As bobinas consistem em 10 a 20 espiras de fio grosso num bastão de ferrite.

Use fio 20 ou 22 para correntes até 8 A e 14 a 16 para correntes maiores.

O circuito deve ser instalado numa caixa metálica para servir de blindagem.

No site o leitor encontrará diversos circuitos de controles de potência (dimmers) usando triacs, assim como diversas configurações de filtros para estes componentes.