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Retificador controlado de silício ( SCR ou Tiristor)

5.Tiristor O nome tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores que operam em regime chaveado, tendo em comum uma estrutura de 4 camadas semicondutoras numa seqüência p-n-p-n, apresentando um funcionamento biestável. 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).

5.1 Princípio de funcionamento O tiristor possui uma estrutura com quatro camadas e três terminais. O ânodo (A) e o cátodo (K) são os terminais de potência da chave e o gate (G), o terminal de controle

Fig. 5.1

Pode apresentar-se em um de três estados de operação: (a). estado corte – polarização reversa (b). estado corte – polarização direta (c). estado condução - polarização direta

Fig. 5.2

5.1.1Comportamento do b de Transistor Bipolar de Potência com corrente de coletor e temperatura O ganho de corrente dos TBP varia com diversos parâmetros (Vce, Ic, temperatura), sendo necessário, no projeto, definir adequadamente o ponto de operação .A figura 5.3 mostra um comportamento típico do ganho. Em baixas correntes, a recombinação dos portadores em trânsito leva a uma redução no ganho, enquanto para altas correntes tem-se o fenômeno da quasesaturação também reduzindo o ganho. Para uma tensão Vce elevada, a largura da região de transição da junção coletor base que penetra na camada de base é maior, de modo a reduzir a espessura efetiva da base, o que leva a um aumento do ganho.

Fig. 5.3 - Comportamento típico do ganho de corrente em função da tensão Vce, da temperatura e da corrente de coletor.

5.1.2 Disparo do SCR – Analogia com dois transistores O disparo do SCR pode ser entendido utilizando um modelo simplificado com dois transistores. A fig. 5.4 mostra uma visualização do SCR como dois transistores, um PNP e um NPN ,interligados.

Fig. 5.4

Se entre ânodo e cátodo tivermos uma tensão positiva , as junções J1 e J3 estarão diretamente polarizadas, enquanto a junção J2 estará reversamente polarizada. Não haverá condução de corrente até que a tensão Vak se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2.

O aumento de Vak é acompanhado do aumento da corrente de fuga na junção J2. Para pequenas correntes de fuga o b dos transistores do modelo é menor que um. Com o aumento da corrente de fuga teremos um aumento de b. Quando o valor de b ultrapassa 1 teremos o início de um processo de realimentação positiva (disparo) que corresponde a um aumento da corrente anódica . A tensão anódica acima da qual dá-se o disparo é chamada „tensão de ruptura direta”.

Após o disparo a corrente é limitada por uma resistência externa . Se injetarmos uma pequena corrente no gate verificamos que o disparo será obtido para um valor de tensão anódica menor (a injeção de corrente faz b >1 para um menor valor de Vak ).

Fig. 5.5 Efeito da corrente de porta

5.2 Maneiras de disparar um tiristor Podemos considerar cinco maneiras distintas de fazer com que um tiristor entre em condução:

5.2.1) Tensão Quando polarizado diretamente, no estado desligado, a tensão de polarização é aplicada sobre a junção J2. Mesmo na ausência de corrente de gate, por efeito térmico, sempre existirão cargas livre que penetram na região de transição (no caso, elétrons), as quais são aceleradas pelo campo elétrico presente em J2. Para valores elevados de tensão (e, consequentemente, de campo elétrico), é possível iniciar um processo de avalanche. Tal fenômeno, do ponto de vista do comportamento do fluxo de cargas pela junção J2, tem efeito similar ao de uma injeção de corrente pelo gate.

Fig. 5.6 Característica V x I do tiristor

5.2.2) Ação da corrente positiva de porta (gate) A tensão Vak deve ser positiva. O disparo pela corrente de porta é o mais usual. Os limites máximos e mínimos para a tensão Vgk e a corrente Ig, estão mostrados na figura 5.7.

Fig. 5.7

O valor VGT indica a mínima tensão de gate que garante o disparo de todos os componentes de um dado tipo, na mínima temperatura especificada (disparo garantido). O valor VGD é a máxima tensão de gate que garante que nenhum componente de um dado tipo entrará em condução, na máxima temperatura de operação (não disparo garantido). A corrente IGT é a mínima corrente necessária para garantir a entrada em condução (disparo garantido) de qualquer dispositivo de um certo tipo, na mínima temperatura. Para garantir a operação correta do componente, a reta de carga do circuito de acionamento deve garantir a passagem além dos limites VGT e IGT, sem exceder os demais limites (tensão, corrente e potência máximas).

5.2.3) dv/dt (taxa de crescimento da tensão direta ; disparo indesejado ) Quando reversamente polarizada, a área de transição de uma junção comporta-se de maneira similar a um capacitor, devido ao campo criado pela carga espacial. Quando o SCR estiver desligado e polarizado diretamente toda a tensão Vak será aplicada sobre a junção J2. A corrente que atravessa tal junção é dada por:

Quando Vak cresce, 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.

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 decrescimento da tensão reversa não é importante, uma vez que as correntes que circulam pelas junções J1 e J3, em tal situação, não tem a capacidade de levar o tiristor a um estado de condução.

5.2.3.1 Circuito suavizador (“snubber”): O efeito dv/dt pode ser suavizado com o circuito da figura. Ao ser ligada a chave o capacitor externo está praticamente em paralelo com a capacitancia de J2 do tiristor. O caminho alternativo para a corrente reduz a corrente na região da porta evitando o disparo indesejado.

Fig. 5.8 suavizador para dv/dt

Quando o tiristor é disparado o resistor limita a corrente de descarga do capacitor a um valor aceitável pelo tiristor.

5.2.4 )Temperatura A altas temperaturas, a corrente de fuga numa junção p-n reversamente polarizada dobra aproximadamente com o aumento de 8o C. Assim, a elevação da temperatura pode levar a uma corrente através de J2 suficiente para levar o tiristor à condução.

5.2.5) Energia radiante 4 Energia radiante dentro da banda espectral do silício, incidindo e penetrando no cristal, produz considerável quantidade de pares elétron-lacuna, aumentando a corrente de fuga reversa, possibilitando a condução do tiristor. Este tipo de acionamento é o utilizado nos LASCR, cuja aplicação principal é em sistemas que operam em elevado potencial, onde a isolação necessária é obtida por meio de acoplamentos óticos.

5.3 ) Corrente de travamento ( “latching current” ) Se o processo de disparo for interrompido antes que a corrente anódica atinja um determinado valor o disparo é interrompido e o tiristor volta ao estado de corte. Esta corrente anódica chama-se corrente de travamento (fig.5.6) A corrente de travamento assume papel preponderante quando alimentamos carga indutiva: , e o disparo do tiristor é obtido por pulso na porta.

Exemplo; Um tiristor é usado para a partir de uma fonte de 200 Vcc alimentar uma carga altamente indutiva, composta por um resistor de 2 W em série com um indutor de 2H. A corrente de travamento do tiristor é 250 mA . Qual deve ser a menor duração de um pulso na porta para que o disparo tenha sucesso?

Sol : A corrente na carga será:

st e e e e R

V ti t t t t t

5.4 Corrente de manutenção ( “holding current” ) Uma vez disparado o tiristor permanece em condução. Para voltar ao estado de corte devemos reduzir a corrente anódica abaixo de um determinado valor chamado corrente de manutenção (fig5.6)

5.5 Métodos de apagamento do tiristor O tiristor passa da condução ao corte quando o valor da corrente anodica cai abaixo da corrente de manutenção . Isto pode ocorrer naturalmente ,dependendo do circuito externo ao tiristor , ou de maneira forçada . Quando o tiristor é usado em circuitos de corrente alternada a comutação é normalmente natural . Quando o uso é em corrente contínua a comutação é forçada por circuito externo que força a diminuição da corrente no tiristor para um valor inferior á corrente de manutenção. Conforme veremos futuramente o tiristor não pode ser apagado através de sinal na porta.

Fig. 5.9 circuito básico para apagamento forçado

Na fig. 5.9 apresentamos o circuito básico de apagamento de tiristores. O apagamento forçado consiste em forçar uma corrente reversa no tiristor durante um tempo mínimo para que o corte seja obtido. O processo é semelhante ao apagamento de diodo.

Para evitar que o tiristor volte a conduzir a tensão Vak deve permanecer negativa por um intervalo de tempo denominado tempo de apagamento do tiristor (toff). Este tempo varia entre 50 e 100 microsegundos para tiristores normais, e 10 a 50 microsegundos para tiristores rápidos.

46 Fig. 5.10 Apagamento forçado do tiristor

5.6 Dissipação de potência na comutação

Fig. 5.1

A Fig. 5.1 ilustra a dissipação de potência nos diversos estágios de comutação de um tiristor alimentado com 400 Vcc e conduzindo 110 A. Notamos picos elevados de potência dissipada durante as passagens de corte para condução e vice versa. Esta dissipação limita a máxima freqüência de utilização do tiristor.

5.7 Parâmetros típicos do Tiristor 5.7.1• Máxima corrente de ânodo (Iamax): como para os diodos é dada através de curvas.

Fig. 5.12 Imed nominal x Temperatura da capsula

Os valores eficaz e médio da corrente senoidal retificada em meia onda com ângulo de disparo a valem:

T m mmed mmrms ttdIdtdttfT I

IttdII

1 sen

Fig. 5.13 5.7.2 Potência dissipada

Fig. 5.14 Potência dissipada x corrente média

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