CHAVEAMENTO COM SCR S

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1 ELE-59 Circuitos de Chaveamento Prof.: Alexis Fabrício Tinoco S. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA DIVISÃO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA DEPARTAMENTO DE ELETRÔNICA APLICADA 1. INTRODUÇAO CHAVEAMENTO COM SCR S Tiristores são dispositivos semicondutores com capacidade de conduzir ou bloquear uma corrente num ou nos dois sentidos e cujo funcionamento se baseia na propriedade regenerativa da estrutura de quatro camadas (Diodo PNPN). O exemplo mais conhecido de tiristores é o SCR (Silicon Controlled Rectifier). Outros tiristores são, por exemplo, o DIAC (Diode AC) e o TRIAC (Triode AC). O SCR e o diodo Schockley são tiristores unidirecionais, significando com isso que só apresentam comportamento biestável num único quadrante de sua característica V-I. O DIAC e o TRIAC são exemplos de tiristores bidirecionais. 2. DIODO PNPN 2.1. Característica V-I Quando polarizado diretamente (ANODO positivo) o PNPN apresenta 2 estados estáveis: o primeiro, um de alta resistência (bloqueio direto) e, o segundo, outro de baixa resistência (condução direta). Quando polarizado inversamente (ANODO negativo) o seu comportamento é semelhante ao da junção PN apresentando uma região de bloqueio inverso e uma região de ruptura (condução inversa). A comutação do estado de bloqueio direto para o de condução direta e denominado disparo; o contrário denomina-se corte. A grosso modo, o que ocorre em cada região da curva característica é o seguinte: a) Bloqueio inverso: a junção central (J2) esta diretamente polarizada, enquanto as outras duas junções (JI e J3) estão inversamente polarizadas. Assim, a tensão externa aplicada aparece quase toda sobre estas duas junções e a corrente através do dispositivo será muito pequena (da ordem de grandeza das correntes de saturação destas junções). b) Ruptura: a junção central está diretamente polarizada e as outras duas inversamente polarizadas, porem em ruptura. A tensão de ruptura do dispositivo e igual a soma das tensões de ruptura dessas junções. c) Bloqueio direto: as junções externas (JI e J3) estão diretamente polarizadas e a central (J2) inversamente. Praticamente toda a tensão externa aplicada ao dispositivo aparece sobre essa junção. A corrente através do diodo é igual a corrente de saturação dessa junção. d) Condução direta: todas as junções estão diretamente polarizadas. A corrente que circula pelo dispositivo é elevada e ele trabalha sob forte injeção de portadores nas regiões centrais. A tensão sobre o dispositivo é pequena, praticamente igual a de polarização direta de uma junção. Isso porque o sentido de polarização direta da junção central cancela o de uma junção externa Analogia dos 2 transistores A característica mais importante do diodo PNPN é o seu comportamento biestável quando polarizado diretamente. Para compreender coma isso ocorre será usado uma analogia deste dispositivo com 2 transistores interligados conforme mostra a figura 2. V. 1.0 Fev / 8

2 Figura 1 - Constituição, convenção e característica V-I estática da estrutura de 4 camadas (Diodo PNPN). Figura 2 - Analogia dos 2 transistores. A divisão das duas camadas centrais para efeito de analise mostra que o diodo PNPN e equivalente à interligação de dois transistores Na região de bloqueio direto ambos os transistores estão polarizados na região normal. Da figura 2 tiram-se as seguintes equações: i) seção NPN ii) seção PNP iii) Kirchoff I = α I + I ENPN NPN A CBONPN I = α I + I CPNP PNP A CBOPNP I = I + I A CNPN CPNP resolvendo estas 3 equações para I A tem-se: I A ICBO + I NPN CBOPNP = 1 ( α + α ) NPN Esta equação mostra que a existência de uma região de bloqueio direto na característica VI da estrutura de 4 camadas só é possível se os α s forem pequenos para pequenas correntes α NPN + α PNP < 1. PNP I CBO α Num transistor real os parâmetros a e I CBO não são constantes e dependem do ponto de operação: - Depende apenas da tensão sobre a junção de coletor (J2). - Aumenta com essa tensão devido à multiplicação de portadores na região de carga espacial da junção de co1etor. - Depende da corrente de emissor (I) e da tensão sobre a junção coletor (J2). V. 1.0 Fev / 8

3 - Aumenta com a corrente de emissor devido ao decréscimo percentual da corrente de recombinação na região de carga espacial da junção de emissor (J1 e J3). - Aumenta com a tensão sobre a junção de co1etor devido à mu1tip1ição de portadores na região de carga espacial da junção de coletor (J2) Processos de disparo Para disparar a estrutura de 4 camadas e preciso elevar a soma ( α NPN + α PNP ) até próximo da unidade. Isso pode ser conseguido por qualquer processo que eleve a corrente que atravessa o dispositivo. Existem diversas maneiras de se obter isso: a) elevação da tensão de anodo: provoca o aumento dos I CBO s por multiplicação na junção central. É o processo convencional de disparo do diodo PNPN e do DIAC. b) elevação da temperatura: provoca um incremento na geração de portadores nas regiões centrais resultando em elevação dos I CBO s. c) razão de subida da tensão de anodo (dv/dt): provoca o aparecimento de uma componente de corrente formada por cargas oriundas da região de depleção da junção central, quando a tensão reversa cresce sobre essa junção. d) incidência de 1uz: provoca um aumento na geração de portadores nas regiões centrais elevando-se os I CBO s. e) injeção de portadores numa das regiões centrais: provoca um aumento da corrente através da junção central por efeito transistor. É o processo de disparo convencional do SCR e do TRIAC. O ponto de disparo depende do circuito externo e só pode ser determinado mediante uma analise da estabilidade do modelo incremental do circuito completo (1 o método de Liapunov). Apesar de errado é comum designar por "ponto de disparo" ao ponto onde di/dv = O. Essa designação será seguida aqui, na ausência de outra melhor. Na prática a diferença entre os dois pontos (o real e o dito ) é pequena. Figura 3 - Dependência do ponto (real) de disparo com a carga. A condição de instabilidade no circuito incrementa é R+dV/dI = Processo de corte A única maneira de cortar a estrutura de 4 camadas consiste em reduzir a corrente, que a atravessa; em certo ponto ocorre o corte. Esse ponto, a semelhança do ponto (real) de disparo, depende do circuito externo. O ponto onde V. 1.0 Fev / 8

4 di/dv = 0 é designado de manutenção e fica próximo ao de corte. Na pratica e costume confundi-los; o erro e apenas conceitual. Por isso se diz que a estrutura de 4 camadas corta quando a corrente cai abaixo da valor de manutenção (I H ). Figura 4 - Dependência do ponto de corte com a carga. O processo de corte envolve a eliminação do excesso de portadores nas regiões da estrutura PNPN. Essa eliminação acorre naturalmente par recombinação, mas pode ser acelerada por remoção através da passagem de uma corrente inversa de recuperação. O efeito dessa corrente, entretanto, se restringe às regiões próximas as junções externas: nas vizinhanças da junção central o processo predominante é a recombinação. Quando as portadores nas vizinhanças das junções externas tiverem sido removidas, elas se tornam inversamente polarizadas e bloqueiam a passagem da corrente inversa. O processa de corte, porém só se completa apos a redução das concentrações de portadores na junção central. A partir desse instante pode-se então aplicar uma tensão direta ao dispositivo sem que ele entre em condução. Figura 5 - Corrente de recuperação de um diodo PNPN quando a polaridade da fonte é invertida temporariamente para acelerar o processo de corte. Só apos a cor rente inversa ter-se anulado é possível aplicar uma tensão direta sem que o dispositivo entre em condução. 3. SCR A estrutura de um SCR é basicamente a de um diodo PNP acrescida de um 3 o terminal para possibilitar a injeção de portadores numa das regiões centrais. Existem diversos tipos de SCR para as mais diferentes aplicações. O V. 1.0 Fev / 8

5 tipo mais simples é o convencional com estrutura retangular de porta lateral. Nele o terminal PORTA está diretamente ligado à região central P. Figura 6 - SCR convencional com estrutura retangular de porta lateral e símbolo do SCR (todos os tipos). O terminal CATODO é tomado coma referência. A circulação de uma corrente pela PORTA com o SCR diretamente polarizado (ANODO positivo) reduz a tensão de disparo. Isso possibilita o disparo mesmo quando a tensão aplicada ao SCR for menor do que a tensão de disparo máxima (I G =0). Para permanecer em condução uma vez cessada a circulação de corrente pela PORTA ê preciso que a corrente de ANODO seja inicialmente maior do que um valor de "Latching". Depois, ela pode ser reduzida até um valor de manutenção sem que o SCR corte. Figura 7 - Característica I A = f( VAK) típica de um SCR. = IG cte Para forçar a circulação de uma corrente de disparo pela PORTA é preciso aplicar uma tensão entre a porta e o CATODO. A polaridade dessa tensão depende do tipo de SCR; no convencional ela é positiva. A sua amplitude para provocar o disparo é pequena ( ~0,8 V); apenas o suficiente para polarizar diretamente a junção J3. 4. Exercício de preparação Como ilustração da analogia do SCR com a interligação de 2 transistores será montado no laboratório o circuito da figura 8. Será levantada a sua característica VI com corrente de portadora nula e também será observado o seu comportamento como SCR. A finalidade do resistor entre base e emisor do transistor PNP é obter a condição α pequeno para corrente pequenas sem o que poderia não existir a região de bloqueio direto. De fato o conjunto dentro do retângulo pode ser visto como um transistor modificado. A idéia é a seguinte: devido à característica exponencial da junção PN, para pequnas correntes o resistor representa um caminho de maior condutância do que a própria junção. Assim a corrente de emissor do transistor V. 1.0 Fev / 8

6 modificado passa predominantemente pelo resistor, reduzindo assim o α NPN. Para correntes maiores predomina a corrente pela junção e o α cresce rapidamente, tendendo ao valor do α do transistor NPN original. NPN VBE I = α 1 I I VBE V + T VBE + RIESe C E CBO Onde α é do transistor modificado Figura 8 SCR discreto formado por dois transistores Essa idéia e usada em diversos tiristores, sendo conhecido por principio do emissor curto-circuitado. Ela e fundamental para a operação de DIAC e TRIAC. A figura 9 mostra a implementação dessa idéia. O resistor de emissor da figura corresponde à resistência total do percurso da componente de corrente lateral na região P 2, sobre a junção J 3. Figura 9 - Implementação do principio do emissor curto-circuitado no: (a) diodo PNPN e no (b) SCR de emissor curtocircuitado. O nome deriva da impressão que se tem de que a junção de emissor (J 3 ) esta curto-circuitada pelo avanço do contato metálico de catodo sobre a região P 2. No laboratório serão montados e testados dois circuitos que usam SCR s para o controle da potência dissipada sobre uma carga. O circuito da figura 10 e usado para comutar uma carga resistiva. A chave em si é o SCR1; o SCR2 é usado apenas para desligar a chave. Figura 10 - Chave DC usando dois SCR s. O segundo SCR e usado apenas para cortar o primeiro. Para compreender o funcionamento desse circuito suponha que inicialmente os dois SCR's estão cortados. Na subida do pulso de controle, o transformador gera um pulso estreito positivo na porta do SCR1 provocando seu disparo. O pulso aplicado na porta do SCR2 nesse instante será negativo de acordo com a orientação das espiras e não dispara a SCR2. Uma vez disparado, o SCR1 permanece em condução, enquanto durar o pulsa de controle, porque a alimentação e DC e a corrente através da carga e superior à de manutenção (I H ). Na descida do pulso de controle o transformador gera um pulso estreito positivo na porta do SCR2 provocando o seu disparo. A tensão no capacitor imediatamente antes do disparo é aproximadamente igual a tensão de alimentação. Portanto, quando o SCR2 dispara, V. 1.0 Fev / 8

7 como a tensão no capacitor não varia instantaneamente, é aplicada uma tensão inversa no anodo do SCR1 provocando o seu corte. O SCR2 poderá ou não permanecer em condução dependendo do resistor de carga. No primeiro caso o processo para cortá-lo e análogo ao do SCR1; ele será cortado quando o SCR1 for disparado. O circuito da figura 11 e usado para comutar cargas AC. Cada SCR só conduz num dos semiciclos de cada ciclo, após ser disparado. Os pulsos de gatilho são gerados a partir de um oscilador de relaxação a UJT e aplicados as portas dos dois SCR's por meio de um transformador. 0 disparo dos SCR's é sincronizado com a linha. Isso e obtido por meio da tensão de alimentação do oscilador: Ela se anula simultaneamente com a tensão da rede, descarregando o capacitor. Assim, no inicio de cada semiciclo, a tensão sobre o capacitor e aproximadamente a mesma e, portanto o primeiro pulse dentro de cada semiciclo ocorre sempre aproximadamente na mesma posição relativa. O ângulo de disparo pode ser ajustado por intermédio do potenciômetro alterando-se o tempo de carga do capacitor. O corte dos SCR's ocorre ao fim do semiciclo quando a polaridade da tensão da rede inverte. Figura 1l - Chave AC usando dois SCR's. Cada SCR só conduz num dos semiciclos de cada ciclo 4.1. Questões Q1: Demonstre que para o transistor modificado é válida a fórmula apresentada na figura 8, onde α e I CBO são parâmetros do transistor original. Q2: Faça um esboço das formas de ondas V AK1 ; V GK1 ; V AK2 ; V GK2 e V G do circuito da figura 10. Observe as relações de fase entre os sinais. Q3: Faça um esboço das formas de onda V REDE ; V RET ; V LIM ; V C ; V P ; V CH e V L no circuito da figura 11. Observe as relações de fase entre os sinais. 5. Procedimento 5.1. Analogia dos dois transistores 1. Monte o circuito da figura 12 e observe com o auxí1io do osci1oscópio a característica I A e V AK do SCR formado pelos 2 transistores e o resistor. 2. Variando o potenciômetro é possível controlar a corrente de porta (I G ). Observe o efeito disso na característica I A e V AK do dispositivo. Figura 12 - Circuito para observar as característica I A e V AK do SCR V. 1.0 Fev / 8

8 3. Monte o circuito da figura 13 e observe o funcionamento do tripolo como SCR. Fechando a chave o SCR é disparado e permanece em condução mesmo apos aberta a chave. Para cortar o SCR é preciso remover a fonte. Figura 13 - Circuito para observar o funcionamento do SCR Chave DC 1. Monte o circuito da figura 14 e ajuste o patamar superior do pulso de controle para 10 V e a razão de repetição em 100 Hz. A potência dissipada sobre a lâmpada pode ser controlada variando-se a largura do pulso. 2. Levante as formas de onda indicadas no circuito. 3. Explique em poucas palavras o aspecto da forma de onda da tensão de anodo. Figura 14 - Chave DC usando dois SCR's Chave AC 1. Monte o circuito da figura 15. Ajuste o ângulo de disparo para Levante as formas de onda indicadas no circuito. 3. Dê uma explicação para os pulsos negativos sobrepostos ao sinal V LIM. 4. Descreva o procedimento usado para efetuar o ajuste do ângulo de disparo. Figura 15 Chave AC usando dois SCR s. V. 1.0 Fev / 8