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Aula 3:

1 Tiristor:

O tiristor é um dispositivo semicondutor de quatro camadas, de estrutura pnpn, com três junções pn. Ele possui três terminais denominados de: anodo, catodo e gatilho. A Figura 15 mostra o símbolo do tiristor e a sua representação estrutural teórica.

O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, apresentando um funcionamento biestável.

(a)(b)

Figura 15 – Tiristor. (a) Símbolo; (b) Estrutura teórica.

De acordo com a Figura 15 os terminais principais conectados ao circuito de potência são, como no diodo, o anodo (A) e o catodo (K), sendo que o sinal de disparo (controle) é aplicado num terceiro terminal denominado de gatilho (G).

A estrutura básica do tiristor e o seu perfil de dopagem são mostradas na Figura 16.

(a)(b)

Figura 16 – Tiristor. (a) Perfil de dopagem; (b) Estrutura simplificada.

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O tiristor de uso mais difundido é o SCR (Retificador Controlado de Silício), usualmente chamado simplesmente de tiristor. Outros componentes, no entanto, possuem basicamente a mesma estrutura: LASCR (SCR ativado por luz), também chamado de LTT (Light Triggered Thyristor), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS).

A. Princípio de funcionamento

Quando a tensão do anodo é positiva em relação ao catodo, as junções J1 e J3 encontram-se polarizadas diretamente. A junção J2 esta reversamente polarizada e apenas uma pequena corrente de fuga circula do anodo para o catodo. Neste estado o tiristor esta na condição de bloqueio direto ou estado desligado. Se a tensão anodo- catodo (VAK) for aumentada até um valor suficientemente grande, a junção reversamente polarizada J2 se romperá. Este fenômeno é conhecido como ruptura por avalanche e a tensão correspondente em que isto ocorre é chamada de tensão de ruptura direta. Se houver uma tensão VGK positiva, uma corrente através de J3 circulará com portadores negativos fluindo do catodo para o gatilho. Por construção, a camada P ligada ao gatilho é suficientemente estreita para que parte destes elétrons que cruzam J3 possuam energia cinética suficiente para vencer a barreira de potencial existente em J2, sendo então atraídos pelo anodo.

Como as junções J1 e J3 já se encontram polarizadas diretamente, haverá um movimento livre de portadores através de todas as três junções, resultando em uma grande corrente de anodo no sentido direto. Neste momento o dispositivo estará então no estado de condução ou estado ligado. Para que o estado de condução seja mantido a corrente de anodo tem de estar acima de um valor conhecido como corrente de travamento. Caso a corrente de anodo seja menor do que a corrente de travamento (IL) o dispositivo voltará à condição de bloqueio quando a tensão anodo-catodo (VAK) for reduzida.

A curva característica de corrente versus tensão de um tiristor é mostrada na Figura 17.

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Figura 17 – Característica de corrente e tensão do tiristor.

Uma vez que o tiristor entra em condução, o seu comportamento é semelhante ao de um diodo em condução e não há controle sobre o dispositivo, ou seja, ele continuará no estado de condução porque não há barreira de potencial (ou camada de depleção) na junção J2. Entretanto, se a corrente direta de anodo for reduzida abaixo de um nível chamado de corrente de manutenção (IH – holding current), uma região de depleção se formará em torno da junção J2, devido ao reduzido número de portadores, e o tiristor entrará em bloqueio. A corrente de manutenção é menor do que a corrente de travamento (IL – latch current). Assim, a corrente de travamento é a mínima corrente direta de anodo para manter o tiristor no estado de condução.

Quando a tensão de catodo é positiva em relação ao anodo, a junção J2 está diretamente polarizada, mas as junções J1 e J3 estão reversamente polarizadas. Isto é, como se existissem dois diodos conectados em série, com tensão reversa aplicada sobre eles. Neste momento o tiristor encontra-se no estado de bloqueio reverso e uma pequena corrente de fuga reversa, chamada de corrente reversa flui através do dispositivo.

Uma vez que a junção J3 é intermediária a regiões de alta dopagem, ela não é capaz de bloquear tensões elevadas, de modo que cabe à junção J1 manter o estado de bloqueio do componente.

B. O modelo com dois transistores

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Um modo de se explicar o funcionamento de um tiristor é utilizando o modelo de dois transistores para representar a estrutura pnpn, como mostrado na Figura 18. O transistor T1 é um transistor npn formado pelas regiões n2-p1-n1 enquanto que o transistor T2 é um transistor pnp formado pelas regiões p2-n2-p1. A aplicação de uma tensão com potencial positivo entre o anodo e o catodo não resulta em condução. Isto porque a junção central J2 é polarizada reversamente e assegura o bloqueio do dispositivo. Ambos os transistores do circuito equivalente possuem a junções base-emissor polarizadas diretamente e com junções base-coletor polariazadas reversamente ambos os transistores podem ser considerados em bloqueio. Fica evidente através da Figura 18(c) que a corrente de coletor do transistor npn

(T1) fornece a corrente de base para o transistor pnp (T2). De modo semelhante, a corrente de coletor do transistor pnp (T2) com qualquer corrente aplicada ao gatilho (G) fornece a corrente de base para o transistor npn. Assim, uma situação “regenerativa”

que o dispositivo estiver em condução, o sinal do gatilho pode ser removido
(a)(b) (c)

resultará quando o ganho total do laço exceder a unidade. É importante observar que para passar o tiristor ao estado ligado é preciso que o terminal do gatilho receba um pulso positivo de pequena amplitude de corrente por um curto espaço de tempo. Assim

Figura 18 – Modelo dois transistores do tiristor. (a) Estrutura do tiristor; (b) Estrutura dos dois transistores pnp e npn; (c) Associação correspondente dos transistores pnp e npn.

C. Disparo de um Tiristor

Um tiristor é disparado aumentando-se a corrente de anodo. Isto pode ser conseguido de cinco maneiras distintas, descritas como segue: a) Tensão elevada ou sobretensão: Quando polarizado diretamente, no estado de bloqueio, a tensão de polarização é aplicada sobre a junção J2. O aumento da tensão VAK para valores maiores que a tensão

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Prof. Mário Lúcio da Silva Martins Unidade I - 27 de ruptura direta VBO, fluirá uma corrente de fuga suficiente para iniciar o disparo regenerativo. Esse tipo de disparo pode ser destrutivo e deve ser evitado.

b) Ação da corrente positiva de gatilho:

Se o tiristor estiver diretamente polarizado, a injeção de corrente de gatilho pela aplicação de tensão positiva entre os terminais de gatilho e catodo irá dispará-lo. À medida que a corrente de gatilho aumenta, a tensão de bloqueio direta diminui como mostrado na Figura 19. Deve-se observar que há um atraso de tempo, chamado de tempo de disparo (ton), entre a aplicação do sinal de gatilho e a condução do tiristor.

Figura 19 – Característica de corrente e tensão do tiristor para diferentes correntes de gatilho.

c) Taxa de crescimento da tensão direta (dv/dt):

Quando reversamente polarizadas, a área de transição de uma junção comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Considerando que praticamente toda a tensão está aplicada sobre a junção J2 (quando o SCR estiver bloqueado e polarizado diretamente), a corrente que atravessa tal junção é dada por:

Onde CJ2 e VJ2 são a capacitância e a tensão na junção J2, respectivamente.

Se a taxa de crescimento de VAK for grande, a capacitância diminui, uma vez que a região de transição aumenta de largura. Entretanto, se a taxa de variação da tensão for suficientemente elevada, a corrente que atravessará a junção pode ser suficiente para levar o tiristor à condução.

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Uma vez que a capacitância cresce com o aumento da área do semicondutor, os componentes para correntes mais elevadas tendem a ter um limite de dv/dt menor.

Observe-se que a limitação diz respeito apenas ao crescimento da tensão direta (VAK > 0). A taxa de crescimento da tensão reversa não é importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junções J1 e J3, em tal situação, não têm a capacidade de levar o tiristor a um estado de condução.

Como se verá adiante circuitos RC em paralelo com os tiristores são utilizados com o objetivo de limitar a taxa de crescimento da tensão direta sobre eles. d) Térmica:

Se a temperatura de um tiristor for elevada, haverá um aumento no número de pares elétrons-lacunas que aumentará a corrente de fuga. Esse aumento na corrente de fuga pode chegar a níveis capazes de disparar o tiristor. Esse tipo de disparo pode causar agitação térmica e é normalmente evitado. e) Luz:

Se for permitido que a luz atinja as junções de um tiristor, os pares elétronslacunas aumentarão e o tiristor poderá ser disparado. Os tiristores ativados por luz (LASCR) são disparados permitindo-se que a luz atinja a pastilha de silício.

D. Desligamento de um Tiristor Um tiristor que esteja em condução pode ser desligado pela redução da corrente direta a um nível abaixo da corrente de manutenção (IH). Existem várias técnicas para o desligamento de um tiristor que serão discutidas posteriormente. Em todas as técnicas de comutação, a corrente de anodo é conservada abaixo da corrente de manutenção por um tempo suficientemente grande, de modo que todos os portadores em excesso nas quatro camadas sejam eliminados ou recombinados.

Devido às duas junções pn (J1 e J3) as características de desligamento seriam similares às de um diodo, exibindo tempo (trr) e corrente de recuperação reversa (Irr). A junção pn (J2) necessita de um tempo, conhecido como tempo de recombinação (trc) para recombinar o excesso de portadores. Este tempo é função da amplitude da tensão

Figura 20(a) e 18(b), respectivamente

reversa aplicada sobre o dispositivo. As curvas características de bloqueio para um circuito comutado pela rede e por um circuito com comutação forçada são mostrados na

O tempo de desligamento tq é a soma do tempo de recuperação reversa trr e do tempo de recombinação trc. Ao término do bloqueio uma camada de depleção

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