Retificador Tiristor

Tiristores, também chamados de retificadores controlados por silício, ou SCRs, são dispositivos eletrônicos usados em dimmers de luz, controladores de velocidade do motor e reguladores de tensão. Como um diodo, um tiristor tem um ânodo e um cátodo e conduz em apenas uma direção. Na verdade, o símbolo esquemático de um tiristor se assemelha a um diodo, mas com um terceiro terminal representando a porta, que controla o fluxo de corrente. Ao contrário de um diodo, no entanto, um pequeno pulso de corrente na porta é necessário para ligar o tiristor para que a corrente direta possa fluir do ânodo para o cátodo. O tiristor desliga se essa corrente direta cair abaixo de um limite de travamento. No estado desligado, um tiristor bloqueia a condução em ambas as direções. A capacidade de ligar e desligar permite que o tiristor retifique, ou seja, passe corrente de apenas uma polaridade e regule a quantidade de energia CA a ser alocada. Este vídeo demonstrará como controlar um tiristor acionando o portão em vários pontos durante um ciclo CA.

Os tiristores são compostos por quatro camadas alternadas de semicondutores do tipo P e N, que formam uma estrutura PNPN. O cabo do ânodo é conectado ao material do tipo P em uma extremidade. O cabo catódico é conectado ao material do tipo N na outra extremidade. E o cabo da porta é conectado à camada do tipo P ao lado do cátodo. Neste circuito simples, com uma fonte de alimentação CA em série com o tiristor e uma carga, a entrada CA por si só não pode conduzir o tiristor para a condução direta. A corrente pode fluir do ânodo para o cátodo somente depois que um pulso de corrente para a porta aciona o estado ligado. Este pulso deve ocorrer enquanto a fonte voltage é positivo. Caso contrário, o tiristor permanece desligado e bloqueia a corrente. Os tiristores são biestáveis, o que significa que podem descansar em dois estados diferentes. Portanto, o modo de condução direta persiste enquanto a tensão da fonte for positiva e a corrente estiver acima do limite de travamento. Se a corrente cair abaixo desse limite, o tiristor entra no modo de bloqueio e permanece nesse estado até ser acionado novamente. A diferença de fase entre o pulso da porta e o cruzamento zero de uma fonte CA senoidal é o ângulo de disparo. Por exemplo, um pulso de disparo ao mesmo tempo que o cruzamento zero inicial tem um ângulo de disparo de zero graus, resultando em retificação completa de meia onda, como um diodo. Nesse caso, o tiristor passa toda a energia da parte positiva do ciclo para a carga. Se o pulso coincidir com o pico da tensão CA, o ângulo de disparo é de 90 graus e a carga recebe energia de apenas metade do ciclo positivo. Finalmente, um pulso ao mesmo tempo que o cruzamento zero negativo resulta em um ângulo de disparo de 180 graus, sem corrente conduzida e sem energia transferida. O objetivo deste experimento é estudar um circuito retificador de tiristor acionado em diferentes ângulos de disparo e comparar as tensões médias de saída resultantes.

Como esses experimentos usam energia CA de 120 volts, evite o contato com fios expostos, que podem causar eletrocussão e ferimentos ou morte. Não toque em nenhuma parte do circuito enquanto estiver energizado e não aterre o VARIAC. Para obter mais informações sobre segurança elétrica, assista ao vídeo da Jove Science Education "Precauções de segurança e equipamentos básicos". Primeiro, configure o osciloscópio conectando a ponta de prova do osciloscópio padrão a um canal e a ponta de prova diferencial a um segundo canal. Configure a sonda diferencial para uma atenuação acima de 20. Defina a amplificação no menu do osciloscópio para o canal da ponta de prova diferencial. Use 20x se estiver disponível para a sonda diferencial. Caso contrário, use 10x e dobre as medições do osciloscópio. Cancele qualquer deslocamento do osciloscópio prendendo os terminais da ponta de prova diferencial e ajustando a posição vertical dos traços para zero volts. Durante este experimento, o VARIAC fornece tensão CA com uma frequência de linha de 60 hertz. Antes de ajustar o VARIAC, certifique-se de que ele esteja desligado e que nada esteja conectado à saída. Em seguida, gire o botão de controle para 15% da saída. Conecte o cabo de saída ao VARIAC e conecte os terminais da sonda do osciloscópio diferencial aos plugues banana do cabo. Ligue o VARIAC, observe a forma de onda no osciloscópio e ajuste o VARIAC para que a amplitude de sua saída V0 seja de 35 volts. Altere a base de tempo, que é o intervalo de tempo por divisão horizontal do osciloscópio para exibir de dois a cinco ciclos de tensão. Capture e salve uma cópia dessa forma de onda e registre essa base de tempo e designe-a como TB0 para uso posterior. Por fim, desligue o VARIAC e não altere sua configuração.

Este primeiro experimento aciona um retificador de tiristor com um ângulo de disparo de zero grau. Monte o circuito conforme mostrado em uma protoplaca. Use o VARIAC para a entrada da fonte CA V in. E um jumper de fio no lugar do resistor R2. Conecte a sonda padrão através da tensão de entrada V e, em seguida, conecte a sonda diferencial através do resistor de carga R para observar a tensão de saída V de saída. Ative o VARIAC e defina o escopo para a base de tempo TB0, que foi registrada anteriormente. Como o ângulo de disparo é de zero grau, o tiristor age como um diodo e a tensão de saída é uma onda senoidal semi-retificada. Use a função matemática integrada do osciloscópio para medir a tensão média de saída. Ajuste a base de tempo para aumentar o zoom entre os pontos quando o tiristor desligar e ligar novamente. Use os cursores do osciloscópio para medir essa diferença de tempo. Desligue o VARIAC e não altere o voltage configuração. Mantenha todas as conexões VARIAC e de escopo iguais para o próximo experimento.

Para comparar os resultados com dois ângulos de disparo diferentes de zero, o próximo experimento acionará o tiristor com uma resistência pequena e grande para R2. As resistências são, neste caso, 300 ohms e 620 ohms. Use a resistência menor para acionar o tiristor em um pequeno ângulo de disparo. Remova o jumper que causou curto-circuito em R2. Em seguida, insira o resistor de 300 ohms em seu lugar. Ative o VARIAC e defina o escopo para a base de tempo TB0. O ângulo de disparo agora é maior que zero grau e, como resultado, o tiristor é acionado mais tarde na parte positiva do ciclo CA. Meça a tensão média de saída conforme descrito anteriormente. Em seguida, aumente o zoom e meça o intervalo de tempo entre o momento em que o tiristor é desligado e ligado novamente. Desligue o VARIAC. Sem alterar a configuração VARIAC ou outras conexões, substitua R2 pelo resistor maior e repita o teste. Após a conclusão dos experimentos, desligue o VARIAC, coloque-o em zero e desmonte o circuito.

A tensão de saída do circuito retificador do tiristor é zero até que um pulso de porta acione o tiristor. Após o disparo, a tensão de saída é a porção restante de uma onda semi-retificada. À medida que o ângulo de disparo aumenta, a tensão de saída é mais cortada em comparação com a entrada e, portanto, a tensão média de saída diminui. Consequentemente, o ângulo de disparo determina a quantidade de energia que um tiristor passa para a carga.

Os tiristores podem controlar a quantidade de energia transferida para uma carga e eram comuns em fontes de alimentação CC ajustáveis mais antigas. Eles ainda são usados em muitas aplicações de controle de energia CA de média a alta tensão. Primeiro, os dimmers de luz comuns usados em residências e escritórios têm um botão ou controle deslizante que controla um potenciômetro, que é um resistor variável. Alterar a resistência altera o ângulo de disparo de um tiristor e, correspondentemente, aumenta ou diminui a potência que acende uma lâmpada. A descarga de arco anódico é um meio prático e eficiente de sintetizar nanotubos de carbono e grafeno. Pesquisas têm usado um campo magnético para aumentar a controlabilidade e flexibilidade do processo. A descarga elétrica nesta aplicação é semelhante à da soldagem a arco. E ambos usam tiristores de alta tensão para controlar a energia que cria o arco.

Você acabou de assistir à introdução de Jove aos retificadores de tiristores. Agora você deve entender como os tiristores funcionam e como eles permitem o controle da energia CA para dispositivos elétricos. Obrigado por assistir.