Como Funcionam SCRs, TRIACs e DIACs: Explicação, Aplicações e Simulação em SPICE

No mundo da eletrônica, o controle de potência em circuitos de corrente alternada (CA) é amplamente realizado com o uso de dispositivos semicondutores como SCRs, TRIACs e DIACs. Esses componentes são essenciais em aplicações como dimmers de luz, controles de motores e reguladores de tensão.

Neste artigo, vamos explorar o funcionamento desses três dispositivos, como interpretar seus datasheets e como são usados em diferentes aplicações, como inversores de frequência e conversores bifásicos para trifásicos. Também veremos exemplos práticos de simulações em SPICE e as técnicas de controle por PWM e SPWM.

1. O Que é um SCR (Retificador Controlado de Silício)

O SCR (Silicon Controlled Rectifier), ou Retificador Controlado de Silício, é um dispositivo semicondutor unidirecional. Ele possui quatro camadas de material semicondutor organizadas em uma estrutura PNPN. Seu funcionamento é controlado por um terminal de “gate”, que ao receber um pulso de tensão faz com que o SCR conduza corrente.

Funcionamento do SCR

• Disparo: O SCR é disparado aplicando-se um pulso de tensão no terminal de gate. Uma vez disparado, o SCR permanece conduzindo até que a corrente através dele caia abaixo de um valor mínimo, chamado corrente de manutenção $(I_H)$.
• Unidirecionalidade: Ele conduz corrente apenas em uma direção, sendo ideal para aplicações em retificação e controle de motores.

Aplicações do SCR

Os SCRs são amplamente utilizados para:

• Controle de motores de corrente alternada (CA).
• Reguladores de tensão em circuitos CA.
• Controle de potência em sistemas de aquecimento e iluminação.

Como Ler um Datasheet de SCR

Para interpretar um datasheet de SCR, os principais parâmetros a observar são:

• Corrente de disparo do gate $(I_{GT})$: A corrente mínima necessária para acionar o gate do SCR e fazer com que ele conduza.
• Corrente de manutenção $(I_H)$: A menor corrente que deve passar pelo SCR para que ele continue conduzindo após o disparo.
• Tensão de bloqueio direta $(V_{DRM})$: A tensão máxima que o SCR pode suportar no estado bloqueado sem conduzir.
• Corrente direta máxima $(I_T)$: A corrente máxima que o SCR pode conduzir sem ser danificado.
• Temperatura de operação $(T_j)$: A temperatura máxima em que o dispositivo pode operar de forma segura.

2. O Que é um TRIAC (Retificador de Corrente Alternada Bidirecional)

O TRIAC é um tipo de tiristor, o que significa que ele pertence à mesma família de dispositivos semicondutores que o SCR. A principal diferença é que o TRIAC pode conduzir corrente em ambas as direções (bidirecional), o que o torna ideal para controle de potência em circuitos CA. Ele é usado amplamente em dimmers de luz, controles de motores e aquecedores elétricos.

Funcionamento do TRIAC

• Bidirecionalidade: Diferente do SCR, o TRIAC pode ser acionado em ambas as metades do ciclo da corrente alternada. Isso permite o controle de potência em sistemas CA tanto na fase positiva quanto na negativa da onda.
• Disparo via Gate: Assim como o SCR, o TRIAC é disparado aplicando-se um pulso no terminal de gate. Uma vez disparado, ele permanece conduzindo até que a corrente caia abaixo de um valor mínimo.

Aplicações do TRIAC

Os TRIACs são utilizados em:

• Dimmers de luz, onde o controle de fase é essencial.
• Controle de motores CA, permitindo ajuste de velocidade.
• Reguladores de aquecimento.

Como Ler um Datasheet de TRIAC

Os parâmetros mais importantes em um datasheet de TRIAC incluem:

• Corrente de disparo do gate $(I_{GT})$: A corrente mínima necessária para disparar o TRIAC.
• Corrente de condução ((I_T)): A corrente máxima que o TRIAC pode conduzir em operação.
• Tensão de bloqueio reversa $(V_{RRM})$: A tensão máxima que o TRIAC pode suportar sem conduzir em ambos os sentidos.
• Tensão de comutação $(V_TM)$: A queda de tensão máxima quando o TRIAC está conduzindo.
• Temperatura de operação $(T_j)$: A faixa de temperatura em que o dispositivo pode operar de maneira segura.

3. O Que é um DIAC (Diodo Alternadamente Controlado)

O DIAC é um dispositivo semicondutor bidirecional que só conduz corrente após a tensão entre seus terminais atingir um valor específico, chamado de tensão de ruptura. Ele é geralmente usado em conjunto com TRIACs em circuitos de controle de fase, pois ajuda a garantir o disparo preciso do TRIAC.

Funcionamento do DIAC

• Bidirecionalidade: O DIAC conduz corrente em ambas as direções, assim que a tensão de ruptura é atingida. Até esse ponto, ele se comporta como um circuito aberto.
• Disparo Controlado: Quando a tensão de ruptura é atingida, o DIAC dispara e conduz corrente, o que permite que o TRIAC seja acionado de forma estável e precisa.

Aplicações do DIAC

• Controle de fase em circuitos CA.
• Disparo de TRIACs em dimmers de luz e controle de velocidade de motores.

Como Ler um Datasheet de DIAC

Em um datasheet de DIAC, os parâmetros mais importantes são:

• Tensão de ruptura $(V_{BR})$: A tensão necessária para que o DIAC comece a conduzir corrente.
• Corrente de disparo $(I_{BR})$: A corrente que flui quando o DIAC atinge a tensão de ruptura.
• Corrente de manutenção $(I_H)$: A corrente mínima necessária para manter o DIAC em condução após o disparo.

Como Construir um DIAC com Dois Zeners

Um DIAC pode ser modelado usando dois diodos Zener conectados em antiparalelo. Cada Zener conduz quando a tensão em uma das direções atinge seu ponto de ruptura. Isso simula o comportamento bidirecional de um DIAC, permitindo o disparo em ambas as direções.

4. Exemplo de Simulação em SPICE

Agora que entendemos os conceitos teóricos, vamos para um exemplo prático: a simulação de um circuito de controle de fase com TRIAC e DIAC, usando uma fonte de tensão senoidal com valor RMS.

Simulação com Fonte de Tensão RMS

Neste exemplo, utilizaremos uma fonte de tensão comportamental para calcular automaticamente o valor de pico a partir de uma tensão RMS de 120V. Além disso, o DIAC será modelado por dois diodos Zener contrapostos.

* Simulação de controle de fase com TRIAC e DIAC usando tensão RMS

.param V_rms=120
.param freq=50
.param V_pico={V_rms * sqrt(2)}

V1 N001 0 V=V_pico*sin(2*PI*freq*time)  ; Fonte comportamental com tensão RMS
R1 N001 N002 10

* Modelo de DIAC usando dois Zeners em antiparalelo
D1 N002 N003 Z1
D2 N003 N002 Z2

* TRIAC
Q1 N003 N004 N005 T

.model Z1 D (BV=30 IBV=1e-3)  ; Zener com tensão de ruptura de 30V
.model Z2 D (BV=30 IBV=1e-3)  ; Outro Zener em antiparalelo com o Z1

.tran 0.1ms 100ms
.end

Explicação da Simulação:

• Fonte de tensão RMS: A tensão RMS de 120V é convertida para seu valor de pico $V_{\text{pico}} = V_{\text{rms}} \times \sqrt{2}$, e a fonte comportamental gera a forma de onda senoidal.
• DIAC: Modelado com dois Zeners (Z1 e Z2) em antiparalelo, que conduzem quando a tensão atinge 30V, representando o disparo bidirecional do DIAC.
• TRIAC: Quando o DIAC dispara, o TRIAC é acionado, permitindo o controle de fase no circuito.

5. Conversores Bifásicos para Trifásicos e SPWM

Conversores Bifásicos para Trifásicos

Um conversor bifásico para trifásico converte uma alimentação CA bifásica ou monofásica em uma alimentação trifásica. Esse processo é realizado em duas etapas:

1. Conversão CA para CC: A tensão CA de entrada é primeiro convertida em corrente contínua (CC) através de um circuito retificador.
2. Modulação por Largura de Pulso Senoidal (SPWM): A tensão CC é chaveada usando a técnica de SPWM (Modulação por Largura de Pulso Senoidal) para gerar três formas de onda CA defasadas em 120 graus, simulando uma saída trifásica.

O Papel do SPWM

A SPWM (Modulação por Largura de Pulso Senoidal) é uma técnica usada para gerar formas de onda senoidais suavizadas. Em vez de pulsos lineares, a SPWM ajusta a largura dos pulsos para seguir o formato de uma senoide, permitindo um controle preciso da saída trifásica.

Conclusão

Neste artigo, exploramos o funcionamento do SCR, TRIAC e DIAC, três dispositivos fundamentais no controle de potência em circuitos de corrente alternada. Analisamos suas aplicações, incluindo o uso do TRIAC em conversores bifásicos para trifásicos e inversores de frequência, e como a técnica de SPWM é utilizada para gerar sinais CA trifásicos a partir de uma entrada bifásica.

Esses conceitos são essenciais para quem deseja projetar circuitos de controle de potência eficientes, especialmente em aplicações industriais, como controle de motores e conversores de fase.

Sobre o Autor

Carlos Delfino

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Um Eterno Aprendiz.
Professor de Introdução a Programação, programação com JavaScript, TypeScript, C/C++ e Python
Professor de Eletrônica Básica
Professor de programação de Microcontroladores.
Embarcatecher

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