Tiristores-DIAC-e-SCR-Funcionamento-e-Aplicações

1 IInnttrroodduuççããoo aaooss ttiirriissttoorreess São os componentes básicos da Eletrônica Industrial chaveando grandes cargas como motores eletroimãs aquecedores convertendo CA em CC CC em CA e gerando pulsos de controle para outros tiristores 1 DIAC O Diodo de quatro camada bilateral DIAC DIode AC é um dispositivo de quatro camadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada com qualquer polaridade ultrapassar um determinado valor chamado de tensão corrente de avalanche voltando a cortar quando a tensão corrente cair abaixo de um valor chamado de tensão corrente de manutenção IH A Figura abaixo mostra a estrutura interna o símbolo e a curva característica Estrutura Símbolo Curva característica DIAC 2 2 SCR Funcionamento Físico do Silicon Controlled Rectifier SCR Introdução O SCR também conhecido como tiristor é um dispositivo semicondutor NPNP de 4 camadas Em seu estado normal o SCR bloqueia a passagem de corrente ou tensão entre os seus dois terminais Porém quando o eletrodo do GATE é submetido a uma voltagem apropriada a corrente passará livremente e levando a carga ao estado ligado ON Se a voltagem nos dois terminais do dispositivo for invertida o mesmo irá assumir um estado de alta impedância novamente não podendo mais ser ativado por uma tensão no gate Ou seja o SCR equivale a um retificador convencional exceto que o gate controla o início do seu funcionamento a partir de quando o dispositivo se torna independente da tensão do gate Ainda vale ressaltar que um outro dispositivo o Gate Controlled Switch CGS exerce as mesmas funções do SCR mas retém o controle mesmo quando o dispositivo esta no estado ligado ON Simbologia Figura 1 A Estrutura NPNP Conforme mencionado anteriormente um SCR é construído dopandose quatro materiais e concatenandoos de modo a formar uma seqüência NPNP com três junções PN duas em um sentido e uma no outro Aplicase então uma tensão no anodo terminal do material tipo p externo em relação ao catodo terminal do material tipo n externo Desta forma polarizase diretamente as duas junções de mesmo sentido e reversamente a terceira junção Esta última impede a princípio a condução de corrente pelo dispositivo Mas se aplicarmos uma tensão a seção tipo p interna a ser chamada de GATE conforme a figura 2 podemos polarizar diretamente todas as junções PN levando a carga ao estado ON 3 Figura 2 A Estrutura NPNP A diagonal simboliza o corte virtual do dispositivo Para analisar o SCR podemos utilizar uma ótima analogia Imaginando um corte virtual nos dois materiais internos da sua estrutura podemos interpretála como dois transistores bipolares distintos conectados conforme a figura 3 podendo desta forma aplicar a análise usual de transistores Nela temos um transistor pnp e um npn Em ambos o emissor é representado pelo bloco externo à esquerda no npn e à direita no pnp As bases são representadas pelos blocos do meio e os coletores pelos blocos internos à direita no npn e à esquerda no pnp Ou seja a base de um fica ligada ao coletor do outro Figura 3 Análogo de 2 Transistores para a Estrutura NPNP Fazendo isso chegamos a conclusão que para o dispositivo conduzir ganho de malha fechada igual a unidade é necessário que os parâmetros α de ambos transistores se somem de modo que α 1 αααα 2 1 levando ambos transistores a saturação Porém se a soma for maior do que 1 uma vez que o dispositivo comece a conduzir ele não bloqueará jamais De fato é impossível dopar os materiais de modo a ter precisamente α 1 αααα 2 1 O ponto crucial do controle do GATE reside no fato de ambos parâmetros α serem funções da temperatura e da corrente Assim dopase os materiais de modo a fazer o valor da soma ser menor que 1 para temperaturas usuais o que não é tão simples pois a dependência em relação a temperatura é grande e uma vez que valores da soma muito pequenos impossibilita a ativação do dispositivo Fornecendose uma corrente externa ao gate aumentamos a corrente no emissor de Q1 transistor npn enquanto a corrente em seu coletor é mantida constante Quando a corrente do emissor é pequena a maioria dos elétrons se perde na região de depleção da base de Q1 e só uma pequena parcela chega ao coletor Ao se aumentar esta corrente a parcela recombinada capturada na região de depleção se torna menor aumentando o valor de α Logo uma corrente no gate ativa o dispositivo mas uma vez ativado ela pode ser cortada pois α 1 αααα 2 será superior a 1 até que a corrente total diminua a ponto do dispositivo bloquear novamente 4 Parâmetros básicos do SCR Figura 4 característica correntetensão Esses parâmetros devem ser levados em conta nos projetos a Tensão de disparo Vbo É a tensão que podemos Ter entre Aanodo e Kcatodo para que o dispositivo não conduza quando não há disparo Caso a tensão Vbo exceda o limite o SCR conduzira mesmo sem pulso no gate b Tensão máxima reversa Vbr É a tensão que pode ser aplicada entre A e K sem causar dano no componente c Corrente máxima de condução Iak É a corrente máxima que o SCR pode conduzir Nesse caso temos de dividir esse parâmetro em outros três corrente máxima direta em RMS corrente média direta e corrente de pico d Temperatura máxima de operação T max É a temperatura limite de operação normal do SCR Caso ela seja ultrapassada poderão ocorrer disparos indevidos não comandados ou ainda ter início o processo de avalanche com a queima do componente e l² t Essa característica descreve a capacidade máxima de corrente num determinado intervalo de tempo onde o componente atinge a máxima potência dissipável O l² t é o resultado da integral do quadrado da corrente do anodo nesse intervalo de tempo Essa também é uma característica fundamental para o técnico ou engenheiro de desenvolvimento pois é através dela que podemos dimensionar os dispositivos de proteção fusíveis disjuntores etc do projeto Vamos explorar mais esse conceito através de um a exemplo prático Antes porem é bom saber que devese levar em conta que uma proteção eficaz para o SCR deve atuar em um tempo menor que meio ciclo de senóide t8 ms Na prática esse tempo é limitado e 6 ms tipicamente Suponha que o surto máximo previsto seja 6KA isto é Ip6000 A O valor de l² t adotando 6 ms como tempo máximo admissível será IIp21242553 A Portanto 5 l² t42553 ² 6 0001 108645 A²s Isso significa que esse valor deve ser superior ao fusível a ser utilizado como proteção nesse circuito f Taxa máxima de crescimento da tensão direta Vak dvdt Quando o SCR atua no chaveamento de cargas indutivas picos de tensao podem surgir nos terminais de anodo e catodo A amplitude da tensão de pico juntamente com a velocidade que essa tensão surge podem danificar o componente caso esteja acima da especificação g Taxa máxima de crescimento de corrente didt Analogamente o SCR é sensível as variações de corrente assim como as tensões Esse é outro conceito que vale ser explorado Quando o SCR inicia o processo de condução a corrente surge ao redor do gate e então espalhase radialmente até preencher toda a área do cátodo Nos SCRs antigos por facilidade construtivas o gate era colocado na periferia da estrutura cristalina Dependendo da velocidade de crescimento da corrente Iak didt ocorria uma dissipação de potência muito grande próxima ao gate antes da corrente ocupar toda a área disponível do ânodo seção condutora do SCR Esse fenômeno danificava o componente Atualmente os SCRs são construídos com uma estrutura denominada interdigital isto é o gate é colocado no centro do cristal e ocupa uma área maior que os antigos h Corrente de manutenção I h Uma vez disparado o SCR necessita de uma corrente mínima para manter seu estado de condução após a retirada do pulso de disparo Essa corrente é chamada de corrente de manutenção i Corrente mínima de disparo Igk É a corrente mínima necessária entre o gate e cátodo para levar o SCR ao estado de condução j Tensão máxima entre gate e cátodo Vgk Esse é uma parâmetro muito importante no desenvolvimento de circuitos com SCRs pois o excesso de tensão entre o gate e o cátodo pode danificar o componente Normalmente a tensão de disparo encontrase entre 07 V e 20 V k Tempo de disparo ton e tempo de desligamento toff Quanto maior for a capacidade de corrente do SCR maior a área das junções secção condutora Na mesma proporção as capacitâncias parasitas formadas por essas junções provocam um atraso tanto no tempo de condução quanto no desligamento Portanto o tempo necessário para o SCR sair do estado desligado e atingir a condução ton e o tempo de desligamento toff são fatores limitantes entre a velocidade do circuito de comando e a carga Modos de funcionamento Disparo pela porta A porta de um SCR é aproximadamente equivalente a um diodo Por esta razão é preciso pelo menos 07 V para disparar um SCR Além disso para a regeneração ter início é necessário uma corrente de entrada mínima As folhas de dados fornecem a tensão de disparo e a corrente de disparo para os SCRs Por exemplo a folha de dados de um 2N4441 fornece uma tensão de disparo típica de 07 V e uma corrente de disparo de 10 mA A fonte que alimenta a porta de um 2N4441 pode alimentar pelo menos 10 mA em 07 V caso contrário o SCR não fechará a trava Tensão de bloqueio Os SCRs não são construídos para funcionamento em interrupção As tensões de interrupção 6 situamse na faixa de cerca de 50 V a mais de 2500 V dependendo do tipo de SCR A maioria dos SCRs são projetados para fechar com disparo e abrir com baixa corrente Em outras palavras um SCR permanece aberto até que um disparo acione a sua porta Aí então o SCR trava e permanece fechado mesmo que o disparo desapareça O único modo de abrir um SCR é com um desligamento por baixa corrente A maioria das pessoas pensa que o SCR é um dispositivo que bloqueia a tensão até que o disparo feche Por esta razão a tensão de interrupção é frequentemente chamada tensão de bloqueio direta nas folhas de dados Por exemplo o 2N4441 tem uma tensão de bloqueio direta de 50 V Desde que a tensão de alimentação seja menor do que 50 V o SCR não pode interromper O único modo de fechálo é com um disparo pela porta Altas correntes Quase todos os SCRs são dispositivos industriais que podem trabalhar com correntes grandes variando numa faixa de menos de 1 até mais de 2500 A dependendo do número do tipo Pelo fato de serem dispositivos de alta corrente os SCRs têm um diparo relativamente alto e grandes correntes de manutenção O 2N4441 pode conduzir até 8 a continuamente a sua corrente de disparo é de 10 mA e esta também é a sua corrente de manutenção Isto significa que você precisa alimentar a porta com pelo menos 10 mA para controlar até 8 A de corrente no anodo Um outro exemplo o C701 é um SCR que conduz até 1250 A com uma corrente de disparo de 500 mA e uma corrente de manutenção de 500 mA Taxa crítica de elevação Em muitas aplicações é usada uma tensão de alimentação ca com o SCR Fazendo o disparo através da porta num certo ponto do ciclo podemos controlar grandes quantidades de potência ca para uma carga como um motor um aquecedor ou qualquer outra carga Devido às capacitâncias da junção dentro do SCR é possível que uma tensão de alimentação variando rapidamente dispare o SCR Colocando de outra forma se a taxa de elevação de tensão direta for suficientemente alta a corrente de carga capacitiva pode iniciar a regeneração Para evitar o disparo falso de um SCR a taxa anódica de variação de tensão não deve exceder a taxa crítica de elevação da tensão fornecida pela folha de dados Por exemplo um 2N4441 tem uma taxa crítica de elevação de tensão de 50 Vs Um outro exemplo o C701 tem uma taxa crítica de elevação de tensão de 200 Vs Para evitar um fechamento falso a tensão do anodo não deve aumentar mais rapidamente do que 200 Vs O chaveamento por transientes é a causa principal de se exceder a taxa crítica de elevação de tensão Uma forma de se reduzir os efeitos de chaveamento por transientes é com um amortecedor RC Se um transiente de chaveamento de alta velocidade aparecer na tensão de alimentação a sua taxa de elevação será reduzida no anodo devido ao circuito RC A taxa de elevação de tensão do anodo depende da resistência de carga bem como dos valores de R e C Os SCRs maiores também têm uma taxa crítica de elevação de corrente Por exemplo o C701 tem uma taxa crítica de elevação de corrente de 150 As Se a corrente do anodo tentar subir mais rápido do que este valor o SCR pode ser destruído Incluindo um indutor em série reduzse a taxa de elevação de corrente e ajuda também o amortecedor RC a diminuir a taxa de elevação de tensão Alavanca SCR Uma das aplicações do SCR é de proteger uma carga contra uma sobre tensão produzida por uma fonte de alimentação Este processo de alavanca embora seja uma forma drástica de proteção é necessário em vários CIs digitais eles não suportam muita sobre tensão Em vez de destruir CIs dispendiosos podemos usar uma alavanca SCR para por em curto os terminais da carga ao primeiro indício de sobre tensão As fontes de alimentação com uma alavanca SCR precisam de limitação de corrente para evitar uma corrente excessiva quando o SCR fecha 7 Modelos de SCR Encapsulamento tipo TO para SCR com dissipador de calor SCR com encapsulamentos tipo rosca e tipo disco para altas potências POLARIZAÇÃO DIRETA A figura a seguir apresenta um circuito de polarização direta de um SCR onde podemos verificar Tensão do Ânodo positiva em relação ao Cátodo J1 e J3 polarizadas diretamente J2 polarizada reversamente apresenta maior barreira de potencial Flui pequena Corrente de Fuga Direta de Ânodo para Cátodo IF Forward Current Bloqueio Direto DESLIGADO 8 a SCR bloqueado em polarização direta b analogia com diodos b efeito da polarização direta nas junções POLARIZAÇÃO REVERSA A figura a seguir apresenta um circuito de polarização direta de um SCR onde podemos verificar Tensão de Cátodo positiva em relação ao Ânodo J2 diretamente polarizada J1 e J3 reversamente polarizadas apresentam maiores barreiras de potencial Flui pequena Corrente de Fuga Reversa de Cátodo para Ânodo IR Reverse Current Bloqueio Reverso DESLIGADO a SCR bloqueado em polarização reversa b analogia com diodos c efeito da polarização reversa nas junções 9 3 TRIAC Um TRIAC ou TRIode for Alternating Current é um componente eletrônico equivalente a dois retificadores controlados de silício SCRtiristores ligados em antiparalelo e com o terminal de disparo gate ligados juntos Este tipo de ligação resulta em uma chave eletrônica bidirecional que pode conduzir a corrente elétrica nos dois sentidos O TRIAC faz parte da família de transistores de potência Um TRIAC pode ser disparado tanto por uma tensão positiva quanto negativa aplicada no eletrodo de disparo gate Uma vez disparado o dispositivo continua a conduzir até que a corrente elétrica caia abaixo do valor de corte como o valor da tensão final da metade do ciclo de uma corrente alternada Isto torna o TRIAC um conveniente dispositivo de controle para circuitos de corrente alternada ou CA que permite acionar grandes potências com circuitos acionados por correntes da ordem de mA Também podemos controlar o início da condução do dispositivo aplicando um pulso em um ponto prédeterminado do ciclo de corrente alternada o que permite controlar a porcentagem do ciclo que estará alimentando a carga também chamado de controle de fase O TRIAC de baixa potência é utilizado em várias aplicações como controles de potência para lâmpadas dimmers controles de velocidade para ventiladores entre outros Contudo quando usado com cargas indutivas como motores elétricos é necessário que se assegure que o TRIAC seja desligado corretamente no final de cada semiciclo de alimentação elétrica Para circuitos de maior potência podemos utilizar dois SCRs ligados em antiparalelo o que garante que cada SCR estará controlando um semiciclo independente não importando a natureza da carga