Compreender os Símbolos de Tiristor: Guia Esquemático para Design de PCB

O símbolo do tiristor pode parecer simples, mas na verdade representa toda uma família de dispositivos de potência. A família dos tiristores contém dispositivos como SCRs, TRIACs, DIACs, GTOs, SCSs e LASCRs, cada um com o seu próprio símbolo e comportamento de comutação.

Um SCR assemelha-se a um símbolo de díodo com um terminal de gate, enquanto um TRIAC é representado por duas estruturas de tiristor opostas. Um DIAC não tem gate e utiliza um símbolo bidirecional diferente. Quando vários destes dispositivos aparecem no mesmo esquema, os seus símbolos podem ser facilmente confundidos num relance.

Saber ler estes símbolos corretamente ajuda a identificar o dispositivo pretendido antes de selecionar um componente ou atribuir uma pegada de PCB.

Neste guia, irá aprender:

• Símbolos comuns de tiristores, incluindo SCR, TRIAC, DIAC, GTO, SCS e LASCR
• Como distinguir um SCR de um TRIAC
• Como identificar o ânodo, o cátodo e o gate a partir do símbolo
• Como as convenções IEC e ANSI/IEEE representam os dispositivos tiristores de forma diferente

Tabela de símbolos de tiristores (referência rápida)

A IEC 60617-5 inclui uma série de símbolos de tiristores para diagramas de circuitos. Os 10 símbolos abaixo cobrem tipos e configurações comuns de tiristores.

Figura: A tabela completa de símbolos de tiristores

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O que é um símbolo de tiristor?

Um símbolo de tiristor representa um dispositivo semicondutor concebido para comutação controlada e condução com retenção (latching).

Um símbolo de SCR assemelha-se a um díodo porque um SCR conduz principalmente numa única direção, enquanto o terminal de gate adicionado indica o disparo controlado. Um pulso adequado de corrente de gate pode disparar um SCR para a condução; uma vez retido, remover o acionamento do gate normalmente não o desliga. O SCR permanece ligado enquanto a sua corrente de ânodo se mantiver acima do nível de corrente de manutenção [citation:1][citation:10].

O símbolo diz-lhe quatro coisas importantes antes mesmo de olhar para o número da peça:

• É principalmente um interruptor: Um tiristor foi concebido para controlar a corrente entre os estados de bloqueio e condução, em vez de proporcionar amplificação linear.
• Pode reter-se ligado: Um pulso de disparo adequado pode ligar um SCR, após o que este permanece em condução enquanto a corrente necessária continuar a fluir.
• O gate é um gatilho, não um acelerador: Remover o sinal de gate normalmente não desliga um SCR depois de este ter retido.
• Tem uma corrente de manutenção: Quando a corrente de ânodo do SCR cai abaixo da sua corrente de manutenção especificada, o dispositivo pode regressar ao estado desligado.

Anatomia de um símbolo de SCR: ânodo, cátodo e gate

O símbolo de SCR é a forma básica utilizada para identificar um tiristor convencional. Tem três terminais — ânodo (A), cátodo (K) e gate (G) — e cada terminal representa uma função elétrica específica.

Figura: Símbolo de SCR a mostrar o ânodo, o cátodo, o terminal de gate e a direção do fluxo de corrente convencional.

• O corpo semelhante a um díodo: O SCR utiliza um símbolo semelhante a um díodo com o ânodo (A) de um lado e o cátodo (K) do outro. O cátodo é identificado pela barra, como num símbolo de díodo padrão. A corrente convencional flui do ânodo para o cátodo quando o SCR está em condução.
• O terminal de gate: O terceiro terminal é o gate (G), desenhado ao lado do cátodo do símbolo. Uma corrente de gate positiva em relação ao cátodo dispara um SCR convencional para a condução. Este terminal extra é o que distingue o tiristor controlado de um díodo comum.

Porque é que o gate é referenciado ao cátodo: Num SCR convencional, o gate é eletricamente referenciado ao cátodo porque o gate controla o dispositivo através da junção gate-cátodo.

O driver de gate, portanto, necessita de fornecer a tensão e a corrente gate-cátodo corretas. Verifique sempre a folha de dados do fabricante para os requisitos reais de acionamento do gate e o pinout físico.

Modelo de dois transístores do SCR: como funciona a retenção

Divida a estrutura PNPN de quatro camadas ao meio, e pode pensar nela como um transístor PNP acoplado a um transístor NPN, com cada transístor a alimentar a base do outro. Esse laço de realimentação positiva é o que confere ao SCR o seu comportamento de retenção: um curto pulso de gate pode desencadear uma ação regenerativa, empurrando o dispositivo para a condução e permitindo-lhe permanecer em condução enquanto a corrente de ânodo se mantiver acima do nível de corrente de manutenção [citation:10].

Figura: A analogia dos dois transístores, mostrando a pilha PNPN do SCR

O símbolo em si, no entanto, não mostra os limites elétricos que determinam quando o dispositivo comuta. A tensão de rutura pode disparar o SCR sem um sinal de gate, enquanto a corrente de manutenção determina quando o dispositivo se desliga após a retenção.

Figura: Característica I-V do SCR

Tipos e símbolos de tiristores

Figura: Símbolos de SCR, TRIAC, DIAC, GTO, SCS, LASCR, RCT e IGCT

Símbolo de SCR — Retificador Controlado de Silício

Um corpo semelhante a um díodo, um terminal de gate e três terminais marcados A, K e G.

Um SCR normalmente permanece em bloqueio direto até que um disparo adequado de gate inicie a condução, embora a rutura direta também possa desencadear a condução [citation:10].

Após a retenção, o SCR pode desligar-se quando a sua corrente de ânodo cai abaixo do nível de corrente de manutenção.

Símbolo de TRIAC — Tiristor tríodo bidirecional

O símbolo do TRIAC representa ação de tiristor bidirecional, com dois terminais principais e um gate. Os terminais principais são designados por MT1 e MT2 em vez de ânodo e cátodo, porque a corrente pode fluir em qualquer dos sentidos [citation:15].

Um TRIAC pode ser compreendido funcionalmente como dois SCRs ligados em anti-paralelo, embora isso não signifique que seja fisicamente apenas dois SCRs convencionais colocados juntos. O seu comportamento de gate é descrito por quatro quadrantes de disparo, com a sensibilidade a depender da polaridade de MT2 e da posição do gate em relação a MT1 [citation:15].

Símbolo de DIAC — Tiristor díodo bidirecional

Um DIAC é um dispositivo de disparo bidirecional de dois terminais sem gate. O seu símbolo simétrico indica operação bidirecional, indicando que pode conduzir em qualquer dos sentidos uma vez atingida a sua tensão de rutura [citation:8][citation:12].

A ausência de um gate é o detalhe importante: o DIAC é disparado pela tensão aplicada, não por um pulso externo de gate. Um exemplo comum é o DB3, tipicamente utilizado como dispositivo de disparo para circuitos com TRIAC.

Símbolo de GTO — Tiristor de desligar por gate

Um GTO assemelha-se a um SCR mas tem um gate concebido para controlo tanto de ligar como de desligar. Uma corrente de gate positiva adequada desencadeia a condução, enquanto uma corrente de gate inversa suficientemente elevada pode forçar o dispositivo a desligar.

Ao contrário de um SCR, um GTO requer um pulso substancial de corrente de gate para desligar. O driver de gate, portanto, tem de lidar com uma corrente muito mais exigente do que um circuito de disparo de SCR convencional.

Símbolo de SCS — Interruptor Controlado de Silício

Um SCS é um tiristor de quatro terminais com ligações separadas de gate de ânodo e gate de cátodo, além do ânodo e do cátodo. Estes dois terminais de gate proporcionam um maior controlo sobre o dispositivo do que o único gate de um SCR convencional.

O terminal de gate extra é a característica principal a procurar ao identificar um símbolo de SCS.

Símbolo de LASCR — SCR ativado por luz

Um LASCR é um SCR que pode ser disparado por luz incidente. O símbolo adiciona setas óticas a apontar para a estrutura semicondutora para indicar ativação por luz.

Dependendo da convenção particular do símbolo, um terminal de gate pode ainda ser mostrado. Não confunda um LASCR com um optoacoplador ou opto-triac: um LASCR é um tiristor disparado por luz, enquanto um optoacoplador combina um transmissor e um recetor ótico num encapsulamento de isolamento.

Símbolo de RCT — Tiristor de condução inversa

Um RCT combina um tiristor com um díodo anti-paralelo, proporcionando um percurso de corrente inversa através do dispositivo.

O díodo é particularmente útil em circuitos conversores de potência onde é necessária corrente inversa, como em certas aplicações de carga indutiva e inversores.

Símbolo de IGCT — Tiristor comutado por gate integrado

Um IGCT é um tiristor de alta potência concebido para desligar rapidamente através de uma disposição integrada de acionamento de gate de baixa indutância. O seu símbolo enfatiza o tiristor e a sua ligação de controlo de gate, em vez de implicar que um retângulo separado represente fisicamente a eletrónica completa do driver de gate.

Os IGCTs são utilizados em aplicações de alta potência, como acionamentos de média tensão e conversores industriais, onde são necessárias alta tensão, alta corrente e capacidade de desligar rapidamente.

Outros dispositivos de disparo relacionados com tiristores

Alguns dispositivos relacionados podem também aparecer em tabelas de símbolos de tiristores:

• SIDAC: Um dispositivo de rutura bidirecional que opera de forma semelhante a um DIAC mas foi concebido para aplicações de comutação de maior energia.
• SBS: Um interruptor bilateral de silício que proporciona um limiar de comutação bidirecional relativamente bem definido.
• SUS: Um interruptor unilateral de silício (SUS) é um dispositivo de comutação unidirecional acionado por tensão utilizado em circuitos de disparo de baixa potência [citation:6].
• QUADRAC: Uma combinação encapsulada de um TRIAC e um DIAC, integrando o dispositivo de disparo com o dispositivo de comutação num único encapsulamento.

Erros comuns com símbolos de tiristores a evitar

1. Tratar o gate como um interruptor de desligar: Um SCR padrão normalmente não pode ser desligado através do seu gate depois de ter retido [citation:10].

Correção: Proporcione um percurso de comutação adequado, ou utilize um dispositivo de desligar como um GTO quando é necessário desligar controlado por gate.

2. Ler um símbolo de TRIAC como um SCR: Ambos têm três terminais, e a estrutura bidirecional pode ser fácil de não notar em tamanhos pequenos.

Correção: Verifique as etiquetas dos terminais. A/K indica um dispositivo unidirecional do tipo SCR, enquanto MT1/MT2 identifica os terminais principais de um TRIAC [citation:15].

3. Chamar IGBT a um tiristor: Um IGBT é um transístor de potência controlado por tensão, não um tiristor com retenção. O seu gate é isolado, e normalmente pode ser ligado e desligado através do gate.

Correção: Identifique a estrutura do dispositivo e as etiquetas dos terminais antes de escolher o método de acionamento do gate.

4. Deixar o gate flutuante: Um gate de SCR não controlado ou mal referenciado pode captar ruído e disparar inesperadamente.

Correção: Proporcione um percurso de retorno gate-cátodo adequado, tipicamente utilizando uma resistência selecionada de acordo com a folha de dados do dispositivo e os requisitos de disparo.

5. Assumir que a aba é o cátodo: As abas dos encapsulamentos não são normalizadas por família de dispositivos. Por exemplo, a aba do BT151 está ligada ao ânodo, enquanto a aba do BT136 está ligada a MT2.

Correção: Verifique sempre o desenho do encapsulamento e a ligação da aba na folha de dados antes de projetar o dissipador ou a disposição de isolamento.

SCR vs. TRIAC vs. DIAC vs. GTO: comparação de símbolos

A forma mais rápida de distinguir estes quatro símbolos é verificar a sua disposição de terminais, configuração de gate e direção de condução.

Os SCRs e GTOs têm terminais de ânodo, cátodo e gate; os TRIACs utilizam MT1, MT2 e gate; os DIACs têm dois terminais principais e nenhum gate.

Entre estes quatro dispositivos, o GTO proporciona desligar direto controlado por gate.

Os outros dispositivos geralmente permanecem retidos ligados até que a sua corrente principal caia abaixo do nível de corrente de manutenção exigido, pelo que o circuito tem de proporcionar uma condição adequada de comutação de corrente ou de passagem por zero.

É por isso que um tiristor utilizado numa linha CC necessita de uma estratégia de comutação, enquanto um MOSFET normalmente pode ser desligado diretamente através do seu gate.

IEC vs. ANSI: diferenças nos símbolos de tiristores

As convenções IEC e ANSI/IEEE podem utilizar formas gráficas diferentes para representar o mesmo dispositivo tiristor.

As diferenças são principalmente visuais; a função elétrica do dispositivo permanece a mesma.

A IEC 60617 é a principal referência internacional para símbolos gráficos, enquanto muitos esquemas dos EUA e documentos técnicos legados utilizam convenções derivadas da IEEE 315 e ANSI Y32.2.

Figura: Representação IEC e ANSI dos símbolos de SCR, TRIAC e DIAC

• Geometria do gate: A IEC e a ANSI/IEEE podem desenhar a ligação do gate de forma diferente. O gate pode sair do corpo do tiristor num ângulo numa convenção e parecer mais horizontal noutra. A geometria muda, mas o terminal de gate e a sua função elétrica permanecem os mesmos.
• O círculo envolvente: Alguns esquemas de estilo ANSI/IEEE utilizam um círculo em torno de um semicondutor discreto para indicar o encapsulamento ou invólucro do dispositivo, enquanto os símbolos IEC geralmente o omitem. O círculo é uma convenção gráfica, não faz parte do comportamento elétrico do dispositivo.
• Etiquetas dos terminais: As designações dos terminais podem variar consoante o tipo de dispositivo, o fabricante e a convenção de desenho. Por exemplo, os TRIACs podem utilizar MT1/MT2 ou A1/A2 para os dois terminais principais. Siga as etiquetas dos terminais e a folha de dados do fabricante ao identificar um dispositivo.

Nota: Algumas folhas de dados misturam livremente as duas, frequentemente num único documento.

Como identificar os terminais do tiristor a partir de um símbolo

A distinção fundamental é simples: O símbolo identifica os terminais elétricos, enquanto o encapsulamento do dispositivo e a folha de dados definem o seu pinout físico.

Estão relacionados, mas não são intercambiáveis. Confundir os dois é uma das formas mais fáceis de cometer um erro de cablagem.

Passos:

1. Encontre a barra do cátodo: Num símbolo de SCR, a barra marca o cátodo (K). O terminal oposto é o ânodo (A).
2. Encontre o gate: O terceiro terminal é o gate (G), normalmente desenhado no lado do cátodo de um símbolo de SCR convencional.
3. Verifique se há uma segunda estrutura de dispositivo: Um símbolo espelhado ou bidirecional pode indicar um TRIAC ou outra variante de tiristor, onde os terminais principais não são simplesmente ânodo e cátodo.
4. Abra o pinout da folha de dados: Nunca assuma a ordem física dos pinos a partir do símbolo esquemático. Verifique a tabela de atribuição de pinos do fabricante.
5. Verifique a aba do encapsulamento: Para muitos dispositivos TO-220, a aba metálica está eletricamente ligada a um dos terminais do dispositivo. Não assuma que está isolada.

Figura: Encapsulamentos de tiristores TO-220 e TO-92 a mostrar os pinos físicos ao lado dos seus terminais elétricos correspondentes.

Exemplos verificados:

• BT151, TO-220: Pino 1 = Cátodo, Pino 2 = Ânodo, Pino 3 = Gate; a aba está ligada ao ânodo.
• BT136, TO-220: Pino 1 = MT1, Pino 2 = MT2, Pino 3 = Gate; a aba está ligada a MT2.
• BT169D, TO-92: Pino 1 = Ânodo, Pino 2 = Gate, Pino 3 = Cátodo; sem aba metálica de montagem.

Como identificar os terminais do tiristor a partir do encapsulamento

Um teste com multímetro em modo de díodo pode ajudar a verificar o comportamento esperado entre o gate e o cátodo de um SCR.

No entanto, sugere-se uma abordagem mais precisa porque a leitura de 0,5–0,8 V não é um teste universal de SCR, e a resistência interna gate-cátodo varia consoante o dispositivo.

Passo 1: Coloque o multímetro no modo de teste de díodo, não no modo de continuidade, e teste o SCR fora do circuito.

Passo 2: Identifique os terminais suspeitos de gate (G) e cátodo (K) a partir da folha de dados. Coloque a ponta de prova vermelha em G e a preta em K.

Passo 3: Uma junção gate-cátodo em polarização direta pode apresentar uma tensão semelhante à de um díodo, tipicamente cerca de 0,5–0,8 V para muitos SCRs pequenos. A leitura exata depende do dispositivo. Verifique as outras combinações de terminais para detetar curto-circuitos inesperados.

Passo 4: Inverta as pontas de prova entre G e K. Um SCR convencional deve normalmente apresentar uma resistência muito mais elevada/leitura de circuito aberto nesta direção.

Figura: Um multímetro em modo de díodo com a ponta vermelha no gate e a ponta preta no cátodo de um SCR.

Conclusão

Leia um símbolo de tiristor em duas passagens: conte os corpos para compreender o percurso da corrente, depois conte os terminais para compreender o método de controlo. Assim que tiver identificado o dispositivo, deixe de depender do símbolo e abra o pinout da folha de dados. O símbolo diz-lhe a função elétrica, mas não garante a ordem física dos pinos.

Antes de enviar o design para fabrico, verifique a pegada e o layout com o mesmo cuidado que o esquema:

• Trate a aba como uma ligação elétrica: Em muitos tiristores de potência, a aba metálica está internamente ligada a um terminal do dispositivo. Se transportar potencial de rede, dê-lhe a mesma consideração de folga e creepage que a qualquer outro condutor de alta tensão.
• Verifique o creepage e a clearance: Não dependa de um único valor de espaçamento genérico para todos os designs. A distância necessária depende da tensão de funcionamento, grau de poluição, tipo de isolamento, grupo de material, altitude e a norma de segurança aplicável. Utilize os requisitos relevantes da IPC e de segurança de produto para a aplicação específica.

Perguntas frequentes sobre o símbolo de tiristor