Retificador controlado de silício ( SCR ou Tiristor)

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1 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

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 Comportamento típico do ganho de corrente em função da tensão Vce, da temperatura e da corrente de coletor 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. 40

3 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. 41

4 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 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) ) 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. 43

6 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 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 )Temperatura A altas temperaturas, a corrente de fuga numa junção p-n reversamente polarizada dobra aproximadamente com o aumento de 8 o C. Assim, a elevação da temperatura pode levar a uma corrente através de J2 suficiente para levar o tiristor à condução ) 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? 44

7 Sol : A corrente na carga será: R V t 200 L i( t) (1 e ) (1 e R 2 t e e e t t 1 2,5 10 1, ,9975 t ln1, , s 2 t 2 ) e 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. t 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. 45

8 Fig Apagamento forçado do tiristor 46

9 5.6 Dissipação de potência na comutação Fig A Fig 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. 47

10 5.7 Parâmetros típicos do Tiristor Máxima corrente de ânodo (Iamax): como para os diodos é dada através de curvas. Fig Imed nominal x Temperatura da capsula Os valores eficaz e médio da corrente senoidal retificada em meia onda com ângulo de disparo a valem: I rms Im sen 2 tdt sen I m I med 1 T T 1 2 f ( t) dt 0dt 0 0 I m Im sentdt 1 cos 2 48

11 Fig Potência dissipada Fig Potência dissipada x corrente média 49

12 5.7.3 Tempos característicos de disparo do tiristor Fig Tempos característicos de disparo do tiristor Tempo de atraso (td): tempo que decorre do instante que a corrente de porta atinge 90% do valor final até a tensão Vak cair para 90% do valor anterior ao disparo. Tempo de subida (tr) : tempo que decorre do fim do tempo de atraso até a corrente anódica atingir 90% do valor final. Tempo de disparo (ton.): soma do tempo de atraso com tempo de subida Comportamento do tiristor com di/dt O tiristor não pode ser apagado com uma corrente reversa no gate devido ao parâmetro di/dt do tiristor. Este apagamento é possível para outro membro da família dos tiristores, o GTO (gate turn off). O comportamento com a variação de corrente (di/dt) pode ser entendido com auxílio do modelo da figura 5.16 que representa um tiristor composto por várias células individuais associadas em paralelo. 50

13 Fig.5 16 A corrente na porta provoca inicialmente a condução da região mais próxima. As regiões mais afastadas vão entrando em condução progressivamente; A área disponível para a passagem da corrente anódica é inicialmente pequena. Podemos ter uma densidade de corrente localizada maior que a suportável levando a destruição do dispositivo. Com o tiristor conduzindo, qualquer tentativa de apagamento via porta apenas conseguirá apagar uma pequena região não levando o tiristor ao corte. Fig Geometria de gate-catodo para aumentar di/dt permissível Circuito suavizador de di/dt ( Snubber) Fig No disparo o valor de di/d será limitado pela indutancia. O diodo e o resitor limitam o valor da tensão sobre o tiristor quando o mesmo deixa de conduzir. 51

14 6 Dispositivos e circuitos de disparo 6.1 Características da porta (antes do disparo): Efeito sobre dv/dt de um resistor na porta: Se um resistor é adicionado em paralelo com a porta teremos um caminho alternativo para a corrente (dv/dt) reduzindo a sensibilidade e dificultando o disparo indesejado. Por esta razão a construção do tiristor é do tipo emissor curtocircuitado. A figura 6.1 ilustra esta construção. Fig. 6.1 construção do tiristor com o emissor curto-circuitado A Fig. 6.2 mostra a característica porta-catodo (com corrente anódica=0) comparada com a característica de um diodo comum. Fig

15 Reta de carga para o circuito da porta: A figura 6.3 mostra a reta de carga correta para disparo do tiristor. Fig. 6.3 As curvas A e B são as caraterísticas limite da família de tiristores. A reta de carga deve passar o mais próximo possível da curva de máxima potência (C) para se obter disparo eficiente. 6.2 Disparo por c.c.: A Fig. 6.4 mostra um circuito típico Fig

16 6.3 Disparo por corrente alternada: As figuras 6.5 e 6.6 mostram cicuitos típicos. Fig. 6.5 Fig Disparo por pulsos : O disparo por pulsos de corrente na porta tem como vantagens: a) redução da potência dissipada na porta b) possibilidade de sincronizar o disparo de mais de um tiristor c) facilidade de isolação ente o circuito de disparo e o circuito de potência com transformador de pulsos Oscilador de relaxação : E um circuito de geração de pulsos por descarga capacitiva. E muito utilizado para geração de pulsos de disparo. Os pulsos gerados têm tensão inicialmente alta e progressivamente decrescente. 54

17 Sua forma de onda favorece o disparo. A Fig. 6.7 mostra o circuito básico do oscilador de relaxação. Fig Seu funcionamento se baseia na característica VxI de dispositivos especiais apresentada na Fig Note a semelhança desta característica com a do tiristor. Alguns dispositivos que têm esta característica são: UJT, PUT, SUS, SCS, SBS, DIAC, ATS, lâmpada néon etc. (v tabela 6 anexa) Fig. 6.8 O funcionamento do oscilador de relaxação pode ser compreendido com auxílio da Fig O circuito básico (Fig. 6.9a) utiliza um dispositivo com tensão de chaveamento Vs, corrente de chaveamento Is, tensão e corrente de manutenção Vh e Ih respectivamente. Na Fig. 6.9b são mostradas a característica VxI do dispositivo conjuntamente com retas de carga correspondentes a R1 e R2. Se R1 é aumentada até o valor máximo que mantém a oscilação verificamos que a reta de carga correspondente intercepta a característica no ponto 1. Este ponto coincide com o ponto de tangência na curva característica, da reta de carga correspondente a R2. O ponto é bastante próximo ao ponto de coordenadas (Vs, Is ) se confundindo com o mesmo para efeitos práticos. 55

18 Quando o ponto 1 é atingido temos um salto para o ponto 2 quando o capacitor se descarrega com uma corrente de pico i p produzindo um pico de tensão e p sobre o resitor R2 ( que inclui a impedância da porta do tiristor). A descarga do capacitor transfere o ponto de 2 para 3 onde novamente a reta de carga de R2 tangencia a curva característica. Temos então a passagem do ponto 3 para o ponto 4. A partir daí o capacitor se recarrega dando continuidade a oscilação. Se R1 for reduzido ao o valor mínimo que mantém a oscilação a nova reta de carga intercepta a curva característica no ponto 3. Qualquer diminuição adicional de R1 faz com que o dispositivo permaneça conduzindo e a reta de carga intercepta a curva entre ao pontos 2 e 3. Fig. 6.9 Se R1 for aumentado além do valor máximo de oscilação a reta de carga interceptará a curva característica entre 1 e a origem e o dispositivo não entrará em condução. 56

19 Oscilador com UJT (transistor unijunção ) Fig O transistor unijunção é constituído por uma barra de material tipo n, com duas conexões metálicas nas extremidades e uma junção pn intermediária (Fig. 6.10a). Seu símbolo é o da Fig b). A fig c) mostra o modelo simplificado do UJT polarizado com uma tensão V BB. A tensão no cátodo do diodo é uma fração da tensão V BB. Quando a tensão V E polariza diretamente o diodo o UJT conduz. Na condição de condução a resistência entre emissor e base1 é bem pequena tornando a corrente de emissor limitada basicamente pelo resistor externo conectado na base1. O ponto de condução do UJT é dado pela expressão: VE VBB VD Onde h é o valor do divisor resistivo de tensão resultante da construção do UJT (fig c) A característica V E x I E é a típica de dispositivo de disparo de oscilador de relaxação. A Fig mostra um oscilador de relaxação típico com UJT. O capacitor C1 é carregado através de RI e R2. Quando a tensão ultrapassa o valor de VE VBB V condução o UJT D dispara fornecendo um pulso de corrente para o resistor R4. Fig

20 Oscilador com PUT (transistor unijunção programável): O PUT tem uma estrutura de quatro camadas p,n,p,n semelhante ao tiristor. (Fig a). A porta é no entanto junto ao ânodo. Seu nome vem da semelhança de funcionamento entre um oscilador de relaxação típico com PUT (Fig. 6.12b) e com UJT. Note que no oscilador com PUT a condição de condução é obtida quando a tensão no capacitor ultrapassa a tensão do divisor de tensão R3, R4 de um valor suficiente para fazer conduzir a junção ânodo porta do PUT. Este divisor, que pode ser programado pela escolha dos resistores define o correspondente ao h do UJT Fig A característica V x I do PUT tem a forma padrão da de um dispositivo de disparo de um oscilador de relaxação. As características típicas de alguns dispositivos é apresentada na tabela 6.1 anexa. 58

21 TABELA

22 6.4.2 Transformador de pulso: São usados para isolar galvanicamente circuitos geradores de pulsos e circuitos de potência. Consideremos o efeito da aplicação de uma tensão contínua V no primário de um transformador. Sabemos que esta tensão provocará um fluxo l=nf que obedece a relação : V =dl/dt. Teremos no secundário uma tensão correspondente á relação de espiras. V d n dt V dt Fig Como a tensão primária é constante o fluxo crescerá linearmente com o tempo (l =Vt). Quando o valor deste fluxo ultrapassa a saturação do núcleo, teremos um aumento substancial da corrente de magnetização com o tempo. Este aumento de corrente provoca nas resistências internas da fonte e do fio do transformador uma queda de tensão que progressivamente reduz a variação do fluxo fazendo a tensão secundária tender a zero. Se a tensão aplicada for um pulso é necessário que a saturação não seja atingida para que o pulso seja reproduzido no secundário. O fluxo, ou seja os Voltsegundos aplicados devem ser menores que o valor do fluxo de saturação..por este motivo a especificação básica de transformadores de pulso é dada em Vms. Por exemplo: um transformador de 200 Vms permite a aplicação de pulsos de 20 V durante 10us, ou 2 V durante 100ms. 1. Posso aplicar pulsos cuja área seja 200Vµs. Fig

23 2. Posso aplicar um trem de pulsos? Fig Não, pois as áreas vão se somando ao longo do tempo correspondendo a um fluxo crescente. provocando a saturação do núcleo. O transformador deve ser desmagnetizado ao término de cada pulso. 61