📘 TRIAC e DIAC para Controle de Fase CA

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1. Identificação Normativa e Símbolos

Parâmetro Normativo	TRIAC de Média Potência (BTA16 / BTB16)	TRIAC de Alta Potência (BTA41 / RD91)	DIAC de Disparo Bilateral (DB3 / SMDB3)
Norma Internacional de Ensaio	IEC 60747-6 / JEDEC TO-220AB	IEC 60747-6 / JEDEC TOP-3 / RD91	IEC 60747-6 / JEDEC DO-35
Tensão de Bloqueio de Pico ($V_{\text{DRM}}$)	$600\text{V}\text{ a }800\text{V}$	$800\text{V}\text{ a }1200\text{V}$	Tensão de Breakover: $V_{\text{BO}}=32\text{V}\pm 4\text{V}$
Corrente Eficaz Nominal ($I_{\text{T(RMS)}}$)	$16.0\text{A}$ @ $T_C=86{}^{\circ }\text{C}$	$40.0\text{A}$ @ $T_C=95{}^{\circ }\text{C}$	Corrente de pico de pulso: $2.0\text{A}$ @ $10\mu \text{s}$
Corrente de Surto ($I_{\text{TSM}}$)	$160\text{A}$ ($50\text{Hz}$) / $170\text{A}$ ($60\text{Hz}$)	$400\text{A}$ ($50\text{Hz}$) / $420\text{A}$ ($60\text{Hz}$)	$I_{\text{leak}}<5.0\mu \text{A}$ antes do disparo
Isolação Galvânica da Aba (Série BTA)	$2500{\text{V}}_{\text{RMS}}/1\text{min}$ (Aba isolada)	$2500{\text{V}}_{\text{RMS}}/1\text{min}$	Encapsulamento de vidro hermético
Corrente de Disparo de Gate ($I_{\text{GT}}$)	Quadrantes I-II-III: $50\text{mA}$ (BTA16-CW/BW)	Quadrantes I-II-III: $50\text{mA}$	Tensão dinâmica de chaveamento: $\Delta V\ge 5.0\text{V}$
$(dV/dt{)}_c$ Crítico de Comutação	Snubberless: $10\text{ a }20\text{V}/\mu \text{s}$ sem snubber	Snubberless: $20\text{ a }50\text{V}/\mu \text{s}$	Simetria bidirecional: $

graph LR
    subgraph "Simbologia Padrão IEC 60617"
        direction TB
        subgraph "TRIAC (Bilateral)"
            MT2["Terminal Principal 2 (MT2 / A2)"]
            TriacSym["|◁ ▷| Dois Tiristores em Anti-Paralelo"]
            MT1["Terminal Principal 1 (MT1 / A1 - Referência)"]
            Gate["Gate (G)"]
            MT2 --- TriacSym --- MT1
            Gate --- TriacSym
        end
        subgraph "DIAC (Gatilho Bilateral)"
            D_T1["Terminal 1"] --- DiacSym["|◁ ▷| Diodo Bilateral"] --- D_T2["Terminal 2"]
        end
    end

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2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte

Tabela de Chamada Anatômica do Corte

N°	Elemento Construtivo	Material de Engenharia	Função Física e Justificativa de Projeto
①	Regiões Superiores $P_1$ e $N_4$ (MT2)	Silício tipo P e tipo N interdigitados sob o mesmo contato metálico	Permite ao terminal MT2 atuar alternadamente como Ânodo (quando $P_1$ conduz no semiciclo positivo) ou como Cátodo (quando $N_4$ conduz no semiciclo negativo).
②	Base Central $N_1$ de Bloqueio	Silício monocristalino tipo N fracamente dopado ($N^{-}$)	Suporta a tensão de pico alternada da rede ($600\text{V}-800\text{V}$) em ambos os semiciclos enquanto o TRIAC estiver bloqueado em corte.
③	Camada $P_2$ Inferior	Silício monocristalino tipo P com difusão profunda	Forma as junções de transição inferiores e hospeda tanto a região emissora do terminal MT1 quanto a região de injeção de Gate.
④	Região $N_2$ (Cátodo MT1)	Silício tipo N altamente dopado ($N^{+}$)	Conecta ao terminal MT1. Serve de referência de potencial para todo o circuito de disparo de gate.
⑤	Região Auxiliar $N_3$ de Gate	Silício tipo N colado ao eletrodo de Gate	Permite o disparo com corrente negativa de gate ($I_G<0$): mesmo com potencial negativo, injeta elétrons na camada $P_2$, disparando o transistor equivalente auxiliar em qualquer um dos semiciclos da rede.
⑥	Substrato Cerâmico Interno de Isolação (BTA)	Cerâmica Alumina (${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$) soldada entre a pastilha e a aba de cobre	Diferencial exclusivo da série BTA: isola eletricamente a carcaça de cobre até $2500{\text{V}}_{\text{RMS}}$, permitindo parafusar múltiplos TRIACs em um único dissipador aterrado sem necessidade de buchas plásticas ou micas isolantes frágeis!

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3. Física e Princípios de Funcionamento

3.1 Mecânica dos 4 Quadrantes de Disparo

Diferente do SCR (que só dispara com tensão direta positiva de ânodo e corrente positiva de gate), o TRIAC pode conduzir em qualquer sentido e ser acionado por correntes positivas ou negativas no terminal de Gate.

A convenção padronizada de quadrantes adota o Terminal MT1 (A1) como referência de potencial ($0\text{V}$):

graph TD
    Quad["Os 4 Quadrantes de Disparo do TRIAC"]
    Q1["Quadrante I (MT2+, G+)<br>• Tensão de rede: positiva<br>• Pulso de Gate: positivo<br>• Sensibilidade: MÁXIMA (I_GT ≈ 35 a 50mA)<br>• Condução direta padrão P1-N1-P2-N2"]
    Q2["Quadrante II (MT2+, G-)<br>• Tensão de rede: positiva<br>• Pulso de Gate: negativo<br>• Sensibilidade: BOA (I_GT ≈ 50mA)<br>• Disparo por junção de controle remota"]
    Q3["Quadrante III (MT2-, G-)<br>• Tensão de rede: negativa<br>• Pulso de Gate: negativo<br>• Sensibilidade: BOA (I_GT ≈ 50mA)<br>• Modo preferido junto com Q1 em dimmers com DIAC"]
    Q4["Quadrante IV (MT2-, G+)<br>• Tensão de rede: negativa<br>• Pulso de Gate: positivo<br>• Sensibilidade: PÉSSIMA (I_GT > 100mA)<br>• Elevado di/dt localized, risco de queima! EVITAR SEMPRE!"]
    Quad --> Q1
    Quad --> Q2
    Quad --> Q3
    Quad --> Q4

Regra de Ouro da Eletrônica de Potência: Jamais Opere no Quadrante IV!

No Quadrante IV ($V_{\text{MT2}}<0$ e $V_G>0$), a injeção de portadores ocorre através de um caminho tortuoso e indireto na estrutura do silício. O ganho interno é péssimo, exigindo o triplo da corrente de gate ($I_{\text{GT}}>100\text{mA}$). O ligamento é irregular e lento, concentrando o plasma em uma área minúscula com altíssimo risco de destruição por $di/dt$. Projetos profissionais utilizam disparos nos quadrantes I e III (usando DIAC) ou II e III (usando acionamento negativo por microcontrolador).

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3.2 O DIAC: Princípio de Quebra por Avalanche Bilateral

O DIAC (Diode for Alternating Current) é um dispositivo semicondutor de 3 camadas simétricas ($N\text{-}P\text{-}N$) sem terminal de base.

1. Enquanto a tensão aplicada sobre o DIAC for menor que a tensão de ruptura ($|V|<V_{\text{BO}}\approx 32\text{V}$), apenas uma corrente residual de fuga ($I_{\text{leak}}<5\mu \text{A}$) circula.
2. Quando a tensão atinge exatamente $+32\text{V}$ (no semiciclo positivo) ou $-32\text{V}$ (no semiciclo negativo), uma das junções entra em avalanche controlada.
3. A avalanche dispara o ganho de transistor da estrutura interna, fazendo o componente exibir resistência dinâmica negativa: a tensão sobre o DIAC desaba bruscamente de $32\text{V}$ para aproximadamente $22\text{V}$ ($\Delta V\approx 10\text{V}$).
4. Essa queda de tensão súbita faz o capacitor de temporização descarregar um pulso estreito e violento de corrente ($I_p\approx 1\text{ a }2\text{A}$) direto no gate do TRIAC, garantindo disparo ultrarrápido nos Quadrantes I e III com simetria angular absoluta!

flowchart LR
    CargaC["Capacitor carrega até atingir |V| = 32V"] --> Breakover["DIAC entra em Avalanche Bilateral"]
    Breakover --> QuedaT["Tensão desaba em ΔV = 10V (Resistência Negativa)"]
    QuedaT --> Pulso["Dispara pulso de corrente violento (1 a 2A)"]
    Pulso --> DisparoTRIAC["Disparo perfeito e simétrico do TRIAC nos 2 semiciclos"]

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3.3 A Falha Crítica de Comutação por $(dV/dt{)}_c$ em Cargas Indutivas

Em cargas puramente resistivas (lâmpadas incandescentes, resistências de fornos), a tensão e a corrente da rede estão rigorosamente em fase ($\cos \varphi =1$). No momento em que a corrente cruza por zero ($i=0$), a tensão da rede também cruza por zero ($v=0$), e o TRIAC desliga confortavelmente.

Em cargas indutivas (motores universais, bombas, transformadores, furadeiras):

• A corrente atrasa-se em relação à tensão por um ângulo $\varphi$.
• Quando a corrente da carga finalmente atinge zero e o TRIAC tenta desligar, a tensão da rede já está em um valor elevado ($v=V_{\text{pico}}\cdot \sin \varphi$)!
• O tiristor é submetido instantaneamente a uma taxa de subida de tensão de comutação: ${\left(\frac{dv}{dt}\right)}_c=\omega \cdot \sqrt{2}\cdot V_{\text{RMS}}\cdot \sin \varphi$
• Se essa taxa exceder o valor crítico do componente, os portadores minoritários residuais que ainda não se recombinaram acionam o TRIAC para o semiciclo oposto sem pulso de gate, fazendo o circuito perder completamente o controle e entrar em condução plena a $100\%$ da potência!

Soluções de Engenharia:

1. Snubber $RC$ em Paralelo: Amortece o degrau de subida $(dV/dt{)}_c$.
2. TRIACs da Tecnologia “Snubberless” (ST / NXP): Construídos com barreiras físicas de separação no silício entre as duas metades condutoras, suportando $(dV/dt{)}_c>20\text{V}/\mu \text{s}$ sem necessidade de nenhum capacitor ou resistor de snubber externo!

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4. Esquema Prático de Aplicação: Dimmer / Controlador de Carga CA 220V com Circuito Anti-Histerese

Controle de velocidade de motor ou potência de aquecedor ($220{\text{V}}_{\text{RMS}}/60\text{Hz}$) utilizando rede dupla de atraso $RC$ para eliminar completamente o efeito de histerese (snap-on) em baixas potências.

graph LR
    subgraph "Rede CA 220V / 60Hz"
        Fase["Fase 220V CA"]
        Neutro["Neutro"]
    end
    
    subgraph "Carga Controlada"
        Carga["Carga (Motor Universal / Aquecedor 2.0kW)"]
    end
    
    subgraph "Malha de Disparo com Anti-Histerese"
        P1["Potenciômetro P1 (500kΩ Linear)"]
        R1["R1 (4.7kΩ Fixo)"]
        C1["C1 (100nF Poliéster)"]
        R2["R2 (15kΩ Amortecedor)"]
        C2["C2 (47nF Poliéster)"]
        DIAC["DIAC DB3 (V_BO = 32V)"]
    end
    
    subgraph "Estágio de Potência Snubberless"
        TRIAC["TRIAC BTA16-600B (16A / 600V / Tab Isolada)"]
    end
    
    Fase --> Carga --> TRIAC --> Neutro
    Carga --> P1 --> R1 --> C1 --> Neutro
    R1 --> R2 --> C2 --> Neutro
    R2 --- C2 --> DIAC --> TRIAC

Por que usar a Rede Dupla Anti-Histerese ($R_2-C_2$)?

Em dimmers simples de capacitor único, quando o potenciômetro é ajustado a partir do corte total para iniciar a condução, o DIAC descarrega completamente o capacitor. Nos ciclos seguintes, o capacitor parte de uma carga residual negativa, fazendo a lâmpada/motor acender bruscamente com $30\%$ de brilho (efeito snap-on). A rede com $R_2-C_2$ isola a descarga do capacitor principal $C_1$, garantindo ajuste suave e contínuo a partir de $0\%$ de potência.

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5. Dimensionamento Passo a Passo e Projeto Numérico Resolvido

5.1 Especificações do Projeto

• Tensão da Rede: $V_{\text{rede}}=220{\text{V}}_{\text{RMS}}\pm 10\%$ @ $60\text{Hz}$ ($V_{\text{pico}}=\sqrt{2}\times 242=342.2\text{V}$).
• Carga: Aquecedor resistivo industrial de $P_{\text{carga}}=2.0\text{kW}$ ($2000\text{W}$).
• Corrente Nominal da Carga: $I_{\text{RMS}}=\frac{P}{V_{\text{nom}}}=\frac{2000\text{W}}{220\text{V}}=9.09\text{A}$ $I_{\text{pico}}=\sqrt{2}\cdot I_{\text{RMS}}=1.4142\times 9.09=12.86\text{A}$
• Faixa de Controle Angular Desejada: $\alpha =30^{\circ }\text{ a }150^{\circ }$.
• Temperatura Máxima do Painel: $T_A=50{}^{\circ }\text{C}$.

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5.2 Passo 1: Seleção do TRIAC Comercial

1. Tensão $V_{\text{DRM}}$: Com margem de segurança de $2.0\times V_{\text{pico}}$: $V_{\text{DRM}}\ge 2.0\times 342.2\text{V}=684\text{V}⟹\text{Adota-se }{\mathbf{V}}_{\text{DRM}}=600\text{V}\text{ a }800\text{V}$
2. Corrente $I_{\text{T(RMS)}}$: Para corrente de regime de $9.09\text{A}$, adotamos margem térmica de $1.75$: $I_{\text{T(RMS)\_requerido}}\ge 1.75\times 9.09\text{A}=15.9\text{A}$
3. Seleção: O BTA16-600B (TO-220AB Isolado):
   • $V_{\text{DRM}}=600\text{V}$
   • $I_{\text{T(RMS)}}=16.0\text{A}$
   • Versão Snubberless (B): suporta $(dV/dt{)}_c\ge 10\text{V}/\mu \text{s}$ @ $(di/dt{)}_c=8.5\text{A/ms}$
   • Aba isolada internamente em $2.5{\text{kV}}_{\text{RMS}}$
   • $R_{\theta JC}=1.2{}^{\circ }\text{C/W}$

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5.3 Passo 2: Dimensionamento da Malha de Temporização $RC$

A tensão alternada senoidal é: $v(t)=V_{\text{pico}}\cdot \sin (\omega t)\text{onde }\omega =2\pi \cdot 60=377\text{rad/s}$

A tensão no capacitor de temporização $C_1$ atrasa-se em relação à rede por um ângulo $\theta$: $\theta =\arctan (\omega \cdot R_t\cdot C_1)$ Onde $R_t=P_1+R_1$. A amplitude da tensão sobre o capacitor é: $V_{C1\_pico}=\frac{V_{\text{pico}}}{\sqrt{1+(\omega \cdot R_t\cdot C_1{)}^2}}$

Para que o DIAC DB3 dispare, a tensão no capacitor deve atingir sua tensão de breakover: $v_{C1}(t)=V_{\text{BO}}=32.0\text{V}$

Adotando um capacitor de filme de poliéster estável: $C_1=100.0\text{nF}=0.10\mu \text{F}(400\text{V})$ $C_2=47.0\text{nF}(400\text{V})$ $R_2=15.0\text{k}\mathbf{\Omega }(1\text{W})$

A) Cálculo do Resistor Fixo $R_1$ (Ângulo Mínimo ${\alpha }_{\text{mıˊn}}\approx 30^{\circ }$):

No ângulo mínimo ($t=\frac{30^{\circ }}{360^{\circ }}\times \frac{1}{60\text{Hz}}=1.388\text{ms}$), o potenciômetro está em $P_1=0\Omega$. A tensão da rede em $30^{\circ }$ é: $v_{\text{rede}}(30^{\circ })=342.2\text{V}\times \sin (30^{\circ })=342.2\times 0.5=171.1\text{V}$

Para o capacitor atingir $32\text{V}$ em $1.39\text{ms}$: $v_{C1}(t)\approx v_{\text{rede}}\cdot \left(1-e^{-\frac{t}{R_1\cdot C_1}}\right)⟹32=171.1\cdot \left(1-e^{-\frac{0.001388}{R_1\cdot 100\times 10^{-9}}}\right)$ $1-e^{-\frac{13880}{R_1}}=\frac{32}{171.1}=0.187⟹e^{-\frac{13880}{R_1}}=0.813$ $\frac{13880}{R_1}=-\ln (0.813)=0.207⟹R_1=\frac{13880}{0.207}\approx 6.7\text{k}\mathbf{\Omega }$

Adota-se comercialmente: $R_1=6.8\text{k}\mathbf{\Omega }(2\text{W de filme de carva˜o/oˊxido metaˊlico})$

B) Cálculo do Potenciômetro $P_1$ (Ângulo Máximo ${\alpha }_{\text{maˊx}}\approx 150^{\circ }$):

No ângulo máximo ($t=\frac{150^{\circ }}{360^{\circ }}\times \frac{1}{60}=6.94\text{ms}$), para atingir o disparo no final do semiciclo: $R_{\text{total}}\cdot C_1\approx \frac{1}{\omega }\cdot \tan (80^{\circ })=\frac{5.67}{377}=0.0150\text{s}=15\text{ms}$ $R_{\text{total}}=\frac{15\times 10^{-3}\text{s}}{100\times 10^{-9}\text{F}}=150000\Omega =150\text{k}\Omega$

Para garantir margem de corte total até potência nula ($100\%$ apagado), adota-se comercialmente o potenciômetro linear padrão: $P_1=470.0\text{k}\mathbf{\Omega }(\text{ou }500\text{k}\Omega \text{ Linear com Chave Liga/Desliga})$

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5.4 Passo 3: Cálculo Térmico do TRIAC BTA16

A potência média dissipada no TRIAC sob condução de onda completa é dada por: $P_{\text{diss}}=V_{T0}\cdot I_{\text{T(AV)}}+r_T\cdot I_{\text{T(RMS)}}^2$

Para o BTA16:

• $V_{T0}\approx 0.85\text{V}$
• $r_T\approx 0.021\Omega$
• Em condução plena de onda senoidal completa ($I_{\text{RMS}}=9.09\text{A}$): $I_{\text{T(AV)}}=\frac{2\cdot \sqrt{2}\cdot I_{\text{RMS}}}{\pi }=\frac{2\times 1.4142\times 9.09}{3.14159}=8.18\text{A}$

Substituindo os valores: $P_{\text{diss}}=(0.85\text{V}\times 8.18\text{A})+[0.021\Omega \times (9.09\text{A}{)}^2]$ $P_{\text{diss}}=6.953\text{W}+(0.021\times 82.63)=6.95\text{W}+1.73\text{W}=8.68\text{W}$

Para garantir temperatura de junção de no máximo $T_J\le 105{}^{\circ }\text{C}$ sob ambiente de $T_A=50{}^{\circ }\text{C}$: $\Delta T=T_J-T_A=105{}^{\circ }\text{C}-50{}^{\circ }\text{C}=55.0{}^{\circ }\text{C}$ $R_{\theta JA(\text{total})}=\frac{55.0{}^{\circ }\text{C}}{8.68\text{W}}=6.33{}^{\circ }\text{C/W}$

Como a série BTA já é isolada de fábrica ($R_{\theta CS}\approx 0.2{}^{\circ }\text{C/W}$ apenas com pasta térmica): $R_{\theta SA}\le R_{\theta JA(\text{total})}-R_{\theta JC}-R_{\theta CS}=6.33-1.20-0.20=4.93{}^{\circ }\text{C/W}$

Especificação do Dissipador: Dissipador de perfil de alumínio aletado com resistência térmica de catálogo: $R_{\theta SA}\le 3.8{}^{\circ }\text{C/W}$

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Layout PCB

6.1 Modos Típicos de Falha

1. Queima por Curto-Circuito Térmico Permanente:
   • Carga em curto ou motor travado puxa corrente de rotor bloqueado ($I_{\text{bloq}}>6\times I_{\text{nom}}$). O tiristor ultrapassa $T_{J(\text{max})}=125{}^{\circ }\text{C}$ e funde a pastilha em curto entre MT1 e MT2 (a carga fica ligada direto em $100\%$).
2. Disparo Espúrio por Transientes na Rede:
   • Motores comutando na mesma rede geram transientes de $dV/dt>1000\text{V}/\mu \text{s}$.
   • Correção: Em cargas altamente ruidosas, mesmo usando TRIAC snubberless, instalar um Varistor MOV de $275{\text{V}}_{\text{RMS}}$ (S20K275) em paralelo com a rede de entrada.

6.2 Regras Mandatórias de Roteamento em PCB

1. Referência Estrita ao Pino MT1:
   • Todas as conexões do circuito de disparo (retorno de $C_2$, terra do DIAC) devem conectar-se diretamente ao pad do pino MT1 (A1). Nunca compartilhe a trilha de alta corrente de carga de MT1 com a trilha de retorno do sinal de gate!
2. Filtro de EMI / RFI Obrigatório:
   • O chaveamento abrupto de fase pelo TRIAC corta a senóide em nanossegundos, gerando harmônicos de radiofrequência severos ($150\text{kHz}\text{ a }30\text{MHz}$) que poluem a rede elétrica residencial e violam as normas CISPR 14 e IEC 61000-6-3.
   • Layout Mandatório: Incluir um indutor toroidal com núcleo de ferro pulverizado ($50\text{ a }100\mu \text{H}$) em série com a Fase e um capacitor de poliéster X2 ($100\text{nF}$) na entrada.