Retificador de testidores

Os tirúrolos, também chamados de retificadores controlados por silício, ou SCRs, são dispositivos eletrônicos usados em dimmers leves, controladores de velocidade do motor e reguladores de tensão. Como um diodo, um timristor tem um ânodo e um cátodo, e conduz em apenas uma direção. Na verdade, o símbolo esquemático de um timristor se assemelha a um diodo, mas com um terceiro terminal representando o portão, que controla o fluxo de corrente. Ao contrário de um diodo, no entanto, um pequeno pulso de corrente no portão é necessário para ligar o timristor para que a corrente para a frente possa fluir do ânodo para o cátodo. O timarador desliga se esta corrente dianteira cair abaixo de um limiar de travamento. No estado de folga, um timristor bloqueia a condução em ambas as direções. A capacidade de ligar e desligar permite que o timristor retifique, ou seja, passar corrente de apenas uma polaridade e regular a quantidade de energia CA para a totalidade. Este vídeo demonstrará como controlar um timristor acionando o portão em vários pontos durante um ciclo CA.

Os timristors são compostos de quatro camadas alternadas de semicondutores do tipo P e N, que formam uma estrutura PNPN. O chumbo ânodo está conectado ao material do tipo P em uma extremidade. O chumbo do cátodo está conectado ao material do tipo N na outra extremidade. E o chumbo do portão está conectado à camada tipo P ao lado do cátodo. Neste circuito simples, com uma fonte de energia CA em série com o timristor e uma carga, a entrada CA por si só não pode conduzir o timristor para a condução dianteira. A corrente pode fluir do ânodo para o cátodo somente depois que um pulso atual para o portão acionar o estado em diante. Este pulso deve ocorrer enquanto a tensão da fonte é positiva. Caso contrário, o timristor permanece desligado e bloqueia a corrente. Os timestres são bi-estáveis, o que significa que podem descansar em dois estados diferentes. Assim, o modo de condução para a frente persiste enquanto a tensão de origem for positiva, e a corrente está acima do limiar de travamento. Se a corrente cair abaixo desse limiar, o timristor entra no modo de bloqueio e permanece nesse estado até ser acionado novamente. A diferença de fase entre o pulso do portão e a travessia zero de uma fonte AC sinusoidal é o ângulo de disparo. Por exemplo, um pulso de gatilho 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. Neste caso, o timristor passa toda a energia desde a parte positiva do ciclo até 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 a travessia zero negativa resulta em um ângulo de disparo de 180 graus, sem correnteza e sem energia transferida. O objetivo deste experimento é estudar um circuito retificador de timristor acionado em diferentes ângulos de disparo, e comparar as tensões médias de saída resultantes.

Como esses experimentos utilizam energia CA de 120 volts, evite o contato com fios expostos, que podem causar eletrocussão e lesões ou morte. Não toque em nenhuma parte do circuito enquanto estiver energizado, e não aterra o VARIAC. Para obter mais informações sobre segurança elétrica, assista ao vídeo "Precauções de Segurança e Equipamentos Básicos" da Jove Science Education. Primeiro, configure o osciloscópio conectando a sonda de escopo padrão a um canal e a sonda diferencial a um segundo canal. Configure a sonda diferencial para uma atenuação acima de 20. Defina a amplificação no menu osciloscópio para o canal de sonda diferencial. Use 20x se estiver disponível para a sonda diferencial. Caso contrário, use 10x e dobre as medidas do osciloscópio. Cancele qualquer osciloscópio compensado cortando os terminais diferenciais da sonda 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 está desligado e nada está conectado à saída. Em seguida, gire o botão de controle para 15% de saída. Conecte o cabo de saída ao VARIAC e conecte os terminais da sonda de escopo diferencial aos plugues de banana do cabo. Ligue o VARIAC, observe a forma de onda no osciloscópio e ajuste o VARIAC de modo 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 dois a cinco ciclos de tensão. Capture e salve uma cópia desta forma de onda e regisse esta base de tempo e designe-a TB0 para uso posterior. Por fim, desligue o VARIAC e não altere sua configuração.

Este primeiro experimento desencadeia um retificador de timristor com um ângulo de disparo de zero graus. Monte o circuito como mostrado em uma placa proto. Use o VARIAC para a entrada CA fonte V. E um jumper de arame no lugar do resistor R2. Conecte a sonda padrão através da tensão de entrada V e conecte a sonda diferencial através do resistor de carga R para observar a tensão de saída V. Ligue o VARIAC e defina o escopo para o TB0 base de tempo, que foi gravado anteriormente. Como o ângulo de disparo é zero graus, o timarador age como um diodo, e a tensão de saída é uma onda seno meio retificada. Use a função matemática incorporada do escopo para medir a tensão média de saída. Ajuste a base de tempo para ampliar entre os pontos quando o timristor se desligar e, em seguida, se liga novamente. Use os cursores do escopo para medir essa diferença de tempo. Desligue o VARIAC e não altere a configuração de tensão. Mantenha todas as conexões VARIAC e escopo iguais para o próximo experimento.

Para comparar os resultados com dois ângulos diferentes de disparo não-zero, o próximo experimento acionará o timristor com um pequeno, em seguida, uma grande resistência para R2. As resistências são, neste caso, 300 ohms e 620 ohms. Use a resistência menor para acionar o timristor em um pequeno ângulo de disparo. Remova o jumper que curto-circuito R2. Em seguida, insira o resistor de 300 ohm em seu lugar. Ligue o VARIAC e defina o escopo como TB0 base de tempo. O ângulo de disparo agora é maior que zero graus, e, como resultado, o timristor é acionado mais tarde na porção positiva do ciclo CA. Meça a tensão média da saída conforme descrito anteriormente. Em seguida, amplie e meça o intervalo de tempo entre quando o timristor se desligar e voltar. Desligue o VARIAC. Sem alterar a configuração VARIAC ou outras conexões, substitua o R2 pelo resistor maior e repita o teste. Depois que os experimentos estiverem concluídos, desligue o VARIAC, defina-o como zero e desmonte o circuito.

A tensão de saída do circuito retificador de timristor é zero até que um pulso do portão acione o timristor. Após o acionamento, a tensão de saída é a parte 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 da saída diminui. Consequentemente, o ângulo de disparo determina a quantidade de potência que um timristor passa para a carga.

Os timristors podem controlar a quantidade de energia transferida para uma carga, e eram comuns em fontes de alimentação DC mais antigas ajustáveis. Eles ainda são usados em muitas aplicações de controle de energia CA de média a alta tensão. Primeiro, dimmers de luz comuns usados em casas e escritórios têm um botão ou controle deslizante do que controla um potencialiômetro, que é um resistor variável. A mudança da resistência altera o ângulo de disparo de um timristor, e aumenta ou diminui correspondentemente a potência que ilumina uma lâmpada. A descarga de arco anodó 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 de arco. E ambos usam timarors de alta tensão para controlar a potência que cria o arco.

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