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CAPÍTULO 14 DIODOS ESPECIAIS THYRISTORES (SCR)

O Thyristor é um comutador quase ideal, é retificador e amplificador ao mesmo tempo. Constitui-se um componente de escolha para a eletrônica de potência. Concebido, originalmente para substituir a válvula “thyratron” à gás, o thyristor se impôs, rapidamente, em diversos domínios, cujos mais importantes são a comutação pura e simples, a variação de velocidade dos motores e a variação da intensidade luminosa.

O thyristor permanece normalmente bloqueado, até o momento em que se deseja que ele se torne condutor.

O termo “thyristor” designa uma família de elementos semicondutores, cujas características, originalmente, estão próximas às das antigas válvulas thyratrons. O nome thyristor é uma contração de THYRatron e transISTOR.

Os thyristores, também conhecidos por

SCR (Silicon Controlled Rectifier) são elementos unidirecionais a três saídas (anodo, cátodo e gatilho).

Os TRIACS, são chamados “thyristores triodos bidirecionais”. O nome Triac provém da contração de “TRIode AC Switch”.

Fazem parte ainda da família dos thyristores, os fotothyristores ou thyristores fotossensíveis, os thyristores bloqueáveis, os comutadores unilateral e bilateral SUS e SBS (Silicon Unilateral Switch e Silicon Bilateral Switch, respectivamente) e o diodo Shockley, também conhecido por diodo thyristor ou diodo de quatro camadas.

Estrutura e símbolo do thyristor

O thyristor é um semicondutor de silício a quatro camadas alternadas.

Duas conexões principais são realizadas para o anodo e o cátodo. A condução, no sentido direto (corrente de cátodo para anodo) é comandada por um eletrodo, chamado gatilho (em inglês – gate). Após a aplicação de um sinal de comando no gatilho, o thyristor deixa passar por ele uma corrente unidirecional, isto é, só num sentido. A exemplo dos diodos comuns, o sentido é, repetimos, do cátodo para o anodo.

Figura 14-1 Estrutura e símbolo do thyristor

Thyristor sob tensão

O thyristor pode ser comparado com dois diodos, montados em oposição, conforme mostrado na figura 14-2.

Para simplificação da análise que se segue, vamos admitir que o cátodo está ligado à massa e o gatilho está desligado, isto é, no ar.

Figura 14-2 Comparação do thyristor com diodos

As camadas P1N2 formam o diodo em oposição, que assegura a não condução do dispositivo.

limitação da corrente inversa de fuga é feita por

P2N2. Na prática, a tensão máxima é limitada pela tensão de avalanche dos diodos P2N2 e diodos, o que poderá danifica-lo.

Thyristor sob tensão direta

O comportamento do thyristor é melhor compreendido se fizermos uma analogia com dois transistores PNP e NPN. Veja a figura 14-3.

Figura 14-3 Thyristor sob tensão direta

Estes dois transistores são montados de modo que uma realimentação positiva seja realizada. Suponhamos que a região P2 seja positiva em relação à região N1. As junções J3 e

J1 ficam polarizadas diretamente e deixam passar, respectivamente, os portadores positivos e negativos para as regiões N2 e P1. Estes, após se espalharem pelas bases de cada um dos transistores, alcançam a junção J2, onde a carga espacial cria um intenso campo.

Se α2 é o ganho de corrente, que dá a fração da corrente de buracos injetados no emissor e que atinge o coletor do PNP, e se de outra parte α1 é o ganho de corrente, que dá a fração de corrente de elétrons injetados no emissor e que atinge o coletor do NPN, podemos escrever que:

IC2 = IA · α2e IC1 = IA · α1

A corrente total de anodo é, evidentemente, a soma de IC1 e IC2, as quais se somam à corrente de fuga residual (ICX), através da junção central. A IA será então:

IA = α1 ·IA + α2 · IA + ICX que nos dá:

Para a maioria dos transistores de silício, o ganho é baixo para as baixas correntes e cresce muito quando a corrente aumenta.

Portanto, se ICX é baixa, o denominador da equação anterior está próximo de 1 (para as pequenas correntes), e a corrente IA permanece um pouco superior à corrente de fuga.

A estrutura PNPN, ainda que polarizada diretamente, está bloqueada, e oferece uma grande impedância à passagem da corrente.

Quando, por qualquer razão, ICX aumenta, a corrente e os ganhos aumentam também. A soma α1 + α2 tende para 1 e a corrente IA tende para o infinito. Em realidade, ela toma um valor bem elevado, que é limitado somente pelo circuito exterior. O thyristor está então no estado de condução, dizendo-se então que ele está desbloqueado.

Observação: Este tipo de disparo do thyristor é desaconselhado na maioria dos casos.

Princípio de disparo pelo gatilho

O disparo do thyristor pelo gatilho é o mais comumente utilizado. A explicação será mais clara, se observarmos a figura 14-4. O thyristor estando polarizado diretamente, uma impulsão positiva (IG) de comando será injetada no gatilho. O transistor

Q1, recebendo a IG, como corrente de base, tem sua corrente de coletor igual a I · β1, onde β1 é o seu ganho de corrente (montagem emissor

comum). Esta corrente é, por sua vez, injetada na base do transistor Q2, que produz uma IC2 igual a IG · β1 · β2, onde β2 é o ganho de corrente de Q2. Esta corrente é então reaplicada à base de Q1. Duas situações podem ocorrer:

Figura 14-4 Disparo pelo gatilho

Se o produto β1 · β2 for menor que 1, o dispositivo não será disparado.

Se o produto β1 · β2 tender à unidade (1), o processo de amplificação irá se manifestar e o thyristor irá conduzir..

Desde que o disparo do thyristor ocorreu, a realimentação dos transistores os faz conduzir à saturação. Eles se mantêm neste estado, mesmo que a impulsão inicial do gatilho desapareça e que o circuito exterior mantenha a corrente IA.

Como um thyristor pode ser disparado

Como já vimos, o thyristor dispõe dos seguintes estados: bloqueado, quando polarizado diretamente e não tenha sido disparado; bloqueado, quando polarizado inversamente; condutor, se polarizado diretamente e tenha sido disparado.

Quando o thyristor passa do estado bloqueado para o de condutor, é porque o transistor de silício teve um ganho de corrente, o qual fez aumentar a corrente de emissor.

Consequentemente, todos os mecanismos capazes de provocar um aumento da corrente IE são utilizados. Os principais são: 1- TENSÃO – Quando a tensão cátodo-anodo do thyristor aumenta, chega a um ponto onde a corrente de fuga é suficiente para provocar um crescimento abrupto da IE. Este modo de disparo é principalmente empregado com diodos de quatro camadas (diodos-thyristo- res). 2- AUMENTO DA TENSÃO –

Sabemos que toda junção PN apresenta uma certa capacitância de junção. Se aplicarmos uma tensão brusca entre anodo e cátodo, carrega-se esta capacitância com uma corrente proporcional à variação de tensão e logo que esta tensão seja suficiente, o thyristor dispara. 3- TEMPERATURA – A corrente inversa de fuga em transistor de silício, aumenta com o aumento da temperatura. Quando a corrente de fuga for suficiente, teremos o disparo do thyristor. 4- EFEITO TRANSISTOR – É o modo clássico de disparar um thyristor, injetando-se portadores suplementares na base do transistor equivalente, ou seja, no gatilho do thyristor. 5- EFEITO FOTOELÉTRICO –

Provocando-se a criação de pares elétronlacuna, um foco de luz pode disparar um thyristor. Neste caso utiliza-se um fotothyristor; que consiste em um tipo de thyristor, no qual existe uma “janela”, ou seja, uma lente transparente aos raios luminosos.

A curva típica de um thyristor, elemento unidirecional, é mostrada na figura 14-5. Ela representa a corrente IA em função da tensão anodo-cátodo.

Figura 14-5 Curva característica de um thyristor

VD = Tensão direta em bloqueio

VDRM = Valor máximo de tensão direta (em bloqueio)

VDSM = Máxima tensão direta não repetitiva (em bloqueio)

VT = Tensão sobre o thyristor desbloqueado (em condução)

IH = Corrente mínima de condução VRWM = Tensão máxima inversa

Quando a tensão “V” é nula, a IA também será nula. A tensão “V”, ao crescer no sentido direto, será denominada VF (“F” de forward, em inglês). É necessário atingir um valor mínimo (VD), para disparar o thyristor. Nesse momento, o thyristor torna-se condutor e a queda de tensão entre seus bornes diminui, enquanto que a corrente IA aumenta. Esta corrente direta será denominada IF. Se polarizarmos inversamente o thyristor, com a aplicação de uma tensão VR (“R” de reverse, em inglês), observa-se o aparecimento de uma pequena corrente de fuga

(IR), até que uma tensão máxima inversa que se for aplicada ao thyristor o destruirá.

O thyristor é, portanto, condutor somente no primeiro quadrante. Note-se que o disparo direto foi provocado pelo aumento da tensão direta. Se aplicarmos uma corrente de comando no gatilho, deslocaremos o ponto VD para a esquerda. Ver a figura 14-5.

Disparo do thyristor (SCR)

O processo de disparo pode ser considerado separadamente do mecanismo de condução do anodo.

O desempenho do circuito de controle dependerá, porém, sob certo aspecto, do circuito do anodo.

Um SCR nunca disparará, se o circuito do anodo limitar a sua corrente a um valor menor que IH (corrente de manutenção). Com correntes de anodo inferiores a IH, um SCR comportar-se-á como um transistor; quando a corrente de disparo for interrompida, a corrente de anodo cessará.

Entre os terminais de disparo e de cátodo, há uma junção PN. Esta junção comporta-se como um diodo e suas características são pouco afetadas pela presença das outras duas camadas, mesmo quando existe uma diferença de potencial entre anodo e cátodo.

A figura 14-6 mostra uma característica típica do - diodo gatilho cátodo, obtida com a aplicação de uma tensão positiva ao primeiro elétrodo.

A curva se aplica para as condições “ligado” e “desligado” do SCR, já que a alteração de impedância entre ambas é pequena.

A característica de impedância varia com a temperatura, para diferentes SCR do mesmo tipo, mas, sempre dentro dos limites apresentados nas publicações.

Na figura 14-6, podemos ver a característica desse diodo em diferentes temperaturas.

Figura 14-6 Variações da característica de impe- dância em temperaturas diferentes

Consideremos um SCR com a característica de impedância conforme a figura 14-6. Se uma tensão positiva for aplicada entre o anodo e o cátodo, e a tensão do disparados for aumentada, a corrente deste elétrodo aumentará segundo a curva da figura 14-6.

Em certo ponto da curva haverá o disparo e este ponto é bastante independente da tensão do anodo, isto é, quando a IGF atingir o valor de disparo, o SCR disparará, qualquer que seja a tensão positiva do anodo.

Evidentemente há um valor de potencial mínimo de não disparo.

Os valores de corrente e tensão do gatilho, em que há o disparo, variarão de um a outro SCR do mesmo tipo; isto se deve à variação da impedância do gatilho, entre os limites mostrados na figura 14-7 e à diferença de sensibilidade entre os SCR’s.

Figura 14-7 Limites da variação da impedância do gatilho

Fora da área hachurada da figura 14-7 e dentro dos limites de RG, quaisquer valores de corrente e de tensão dispararão qualquer SCR desse tipo particular. Tensões e correntes que se localizem no interior da área hachurada dispararão alguns, mas não todos os diodos da série.

Os limites da área de disparo eventual são definidos, com referência às características mostradas na figura 14-7, na sequência a seguir.

1- LIMITES DE TENSÃO – A tensão limite é a requerida para disparar o SCR, que é menos sensível à tensão, na mais baixa temperatura de operação. Em temperaturas mais altas, a variação da tensão requerida não é muito grande e é possível simplificar o diagrama, considerando a tensão constante e igual à requerida na mais baixa temperatura de operação.

2- LIMITES DE CORRENTE – A corrente limite é a requerida para disparar o SCR menos sensível à corrente, na mais baixa temperatura de operação. Nas mais altas temperaturas é requerida menor corrente e os limites para –40, +25 e +100 graus centígrados são mostrados na figura 14-7.

3- LIMITES DE BAIXO NÍVEL –

Estes limites indicam níveis de tensão, abaixo dos quais nenhum SCR disparará, nas tempera- turas indicadas. As características discutidas até agora determinam o limite inferior do nível de disparo, sob todas as condições. O limite superior é determinado por uma combinação da potência média de disparo (pico de disparo), e das máximas correntes e tensões diretas do gatilho.

4- MÉTODOS DE DISPARO DO

SCR – Um circuito de disparo, quando bem projetado, deve disparar o SCR sem exceder a qualquer dos valores máximos de tensão e corrente do componente. a) Disparo por corrente contínua – Quando o valor da tensão entre o gatilho e o cátodo, isto é, VG atingir o valor de disparo, o

SCR conduzirá. Se a tensão VG for reduzida a zero, o SCR continuará a conduzir, por causa da baixa impedância de sua estrutura interna.

Figura 14-8 Disparo por corrente contínua

O SCR será bloqueado se a tensão positiva de anodo for reduzida até que a corrente de anodo seja menor que IH. No circuito da figura 14-8 B, a carga a ser alimentada foi colocada no circuito do cátodo (a carga está representada por um resistor). Neste caso, quando o SCR dispara, a tensão no cátodo se torna mais positiva que a tensão no gatilho. O diodo D1 é, então, colocado no circuito de porta (ou gatilho) para evitar a sua ruptura.

Se a tensão que alimenta o anodo for de corrente alternada, o SCR conduzirá durante as alternâncias positivas e bloqueará, sempre que a tensão de anodo cair abaixo da tensão de manutenção.

b) Disparo por corrente alternada –

Se o anodo de um SCR for alimentado com tensão alternada, o disparo poderá ser efetuado também com tensão de CA.

Neste caso pode-se obter um melhor controle da energia consumida na carga. O circuito básico de controle de energia com SCR é visto na figura 14-9.

Figura 14-9 Disparo por corrente alternada

Podemos observar que a tensão do gatilho (VG) pode sofrer um deslocamento de fase, com relação à fase da tensão no anodo.

Este deslocamento de fase é efetuado pela rede

R1 C1. Devido a este deslocamento de fase, a corrente através do SCR pode circular durante um tempo menor do que 180° do ciclo da tensão aplicada. Através do gráfico da figura 14-10 podemos ver o trabalho do SCR. Vemos em EA a alternância positiva da tensão aplicada no circuito. EG é a tensão entre gatilho e cátodo e conforme o valor de R1 poderá estar atrasada de

EA, num ângulo de 0° a 90°. Podemos ver, ainda, como pode ser variado o tempo de condução do SCR, pelo deslocamento da fase de EG. O controle da fase entre EG e EA, no circuito da figura 14-9, é efetuado através do potenciômetro R1.

Figura 14-10 Trabalho do SCR

O triac é um dispositivo semicondutor a três eletrodos, sendo um de comando (o gatilho) e dois de condução principal. Este dispositivo pode passar de um estado bloqueado a um regime de condução nos dois sentidos de polarização e voltar ao estado bloqueado, por inversão da tensão ou pela diminuição da corrente, abaixo do valor da corrente de manutenção (IH).

Figura 14-1 Curvas e símbolo do triac

O triac é, portanto uma versão bidirecional do thyristor. Em sua representação elétrica, podemos compara-lo com associação anti-paralela de dois thyristores.

Estrutura do triac

Para se realizar um triac, recorre-se a diversas estruturas de camadas espalhadas, como na figura 14-12.

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