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Eletrônica Industrial
Aula 06: Diodo de 4 Camadas Unilateral - Retificador Controlado de Si (SCR)
1 Diodo de Quatro Camadas Unilateral
O estudo dos tiristores deve começar pelo dispositivo que origina toda a familia, o diodo de quatro camadas ou diodo Shockley (não confundir com o diodo Schottky, diodo com duas camadas e usado para altas frequencias). A Figura 1 mostra a estrutura, simbolo e curva caracteristica desse diodo.
Figura 1 - Diodo de quatro camadas unilateral ( a ) Estrutura de 4 camadas ( b ) Símbolo ( c ) Curva característica
Com polarização reversa o diodo se comporta como um diodo comum, apresentando altíssima resistência. Se a tensão reversa exceder a tensão de breakdown (UBK) o diodo será destruído. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão aplicada for menor do que um valor chamado de tensão de breakover (UBO). Acima deste valor o dispositivo dispara, passando a conduzir, somente voltando a cortar quando a tensão de anodo (corrente) de anodo cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH).
Qualquer mecanismo que provoque um aumento interno de corrente pode disparar a estrutura de 4 camadas, os principais sãof31:
- Aumento de tensão, o proprio Diodo de 4 Camadas;
- Injeção de corrente (SCR - Diodo controlado);
- Incidencia de radiação luminosa (LASCR - Diodo controlado por luz);
- Taxa de variação de tensão (dv/dt) e aumento de temperatura, mecanismos indesejaveis.
Para explicar o disparo da estrutura de 4 camadas é usado o modelo com dois transistores, um NPN e outro PNP como na figura 2 a seguir.
Figura 2 - Diodo de 4 camadas unilateral - Circuito equivalente com transistores
A corrente de anodo pode ser determinada em função dos ganhos de corrente dos transistores (1 e 2) resultando a expressão a seguir:
A expressão mostra que, para baixos valores de corrente a<<1 e portanto
Nessas condições os dois transistores estão no corte pois os valores dos a são baixos, então a corrente de anodo tem valor próximo da corrente de fuga (ICBO).
Quando a tensão aplicada se aproxima da tensão de disparo, os valores dos ganhos aumentam e a1+a2 tende para 1. Nessas condições a corrente de anodo aumenta muito então ocorre o disparo. Esse mecanismo de disparo é por tensão. Caso seja injetada uma corrente em um terceiro terminal o disparo é por injeção de corrente e pode ocorrer com valores de tensão de anodo bem abaixo da tensão de breakover.
Um SCR (Silicon Controlled Rectifier - Retificador controlado de Si) é basicamente um diodo de 4 camadas unilateral no qual foi colocado um terceiro eletrodo chamado de gate (G) ou porta usado para controlar o disparo do diodo por injeção de corrente.
Obs: Não existe o similar de Ge , pois o Ge é altamente dependente da temperatura.
Obs: Não existe o similar de Ge , pois o Ge é altamente dependente da temperatura.
( a ) ( b ) ( c ) ( d)
Figura 3 - SCR ( a ) Estrutura de 4 camadas ( b ) Símbolo ( c ) Curva característica ( d ) Encapsulamento e pinagem
2.2 Regiões de Operação do SCR
O SCR tem três regiões de operação, consideradas a seguir, com IG = 0 :
2.2.1 Bloqueio Reverso
O anodo é negativo em relação ao catodo, UAK<0, nessas condições o SCR se comporta exatamente como um diodo comum. Se a tensão reversa aumentar além da tensão de breakdown (UBK ), o SCR será destruído pelo efeito avalanche.
Figura 4 - SCR polarizado reversamente - Bloqueio reverso
2.2.2 Bloqueio Direto
O anodo é positivo em relação ao catodo, mas a tensão de anodo não é suficiente para disparar o SCR. Para disparar o SCR com o gate aberto (IG = 0 ) é necessário que a tensão de anodo atinja um valor chamado de tensão de breakover (UBO ). Se UA for menor do que UBO o SCR continuará cortado.
Figura 5 - SCR polarizado diretamente - Bloqueio direto
2.2.3 Condução (Disparo)
Quando a tensão de anodo atingir o valor UBO, o SCR dispara, isto é, a corrente de anodo passa bruscamente de zero para um valor determinado pela resistência em série com o SCR. A tensão no SCR cai para um valor baixo (0,5 V a 2 V dependendo da corrente IA).
Figura 6 - SCR polarizado diretamente após o disparo
Após disparar, o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. A tensão de anodo cai para um valor baixo ( 0,5 V a 1,5 V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH) cujo valor depende do tipo de SCR .Por exemplo, o TIC106 tem IH@ 0,5 mA enquanto o TIC116 tem IH @ 15 mA.
Como visto anteriormente, um diodo de 4 camadas pode ser representado por dois transistores ligados com realimentação de um para o outro. Se for adicionado um terceiro eletrodo, a porta ou gate, pode ser injetado corrente nesse terceiro terminal, disparando a estrutura de 4 camadas para valores de tensão menores do que UBO. Na realidade quanto maior for a corrente injetada menor a tensão de anodo necessária para disparar a estrutura de 4 camadas, daí o nome de Diodo Controlado de Si,SCR (S para esse dispositivo. Obs: Não é possivel construir esse dispositivo com Germanio (Ge).
Figura 7 - Circuito equivalente para o SCR
2.2.4 A Porta (Gate)
Se for injetado uma corrente na porta (gate), será possível disparar o SCR com tensões de anodo bem menores do que UBO. Quanto maior a corrente de porta injetada, menor a tensão de anodo necessária para disparar o SCR, dai o nome diodo controlado.
Após o disparo o gate perde o controle o sobre o SCR, isto é, após o disparo o gate pode ser aberto ou curto circuitado ao catodo que o SCR continua conduzindo. O SCR só volta ao corte quando a corrente de anodo cair abaixo da corrente de manutenção (IH), ou a tensão de anodo cair abaixo da tensão de manutenção (UH).
A tensão máxima que pode ser aplicada entre anodo e catodo no sentido direto com IG = 0 como vimos é chamada de UBO, mas muitas vezes é designada de VDRM esta informação muitas vezes vem codificada no corpo do SCR, por exemplo :
( a ) ( b )
Figura 8 - ( a ) Diferentes tipos de SCR 106 ( b ) Pinagem e encapsulamento TO-220
Outra informação importante é a máxima tensão reversa que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown, é designada por VRRM, tipicamente é da mesma ordem de VDRM. Os valores de corrente também devem ser conhecidos, IT, é a máxima corrente que o SCR pode manipular e pode ser especificada em termos de valor continuo ou eficaz (RMS) e depende da temperatura e do ângulo de condução (qF). Por exempo, o TIC 106 pode conduzir uma corrente continua de até 5 A. A Figura 8a mostra a familia 106 para dois fabricantes Texas (TIC) e Motorola (MCR) com a máxima tensão especificada.
A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de mA no caso do TIC 106.
3 Circuitos com SCR em CC
Se a alimentação do anodo é CC, deve ser previsto circuito de reset após o SCR disparar. Na Figura 9a o disparo é feito pressionando momentaneamente a chave S1, e o reset é feito pressionando momentaneamente S2. No circuito da Figura 9b, o disparo é feito pressionando momentaneamente a chave S4, e o reset é feito pressionando momentaneamente S3. Observe que em um caso, o reset é feito fazendo UA=0 e no outro fazendo IA=0.
Figura 9 - SCR - Circuitos de disparo por CC ( a ) reset com UA=0 ( b ) Reset com IA=0
Fonte: Multisim v. 14
Observe as diferenças entre o disparo na Figura 9a e Figura 9b. Na Figura 9a, o botão NA ( Normal Aberto), S1, ao ser pressionado momentaneamente, injeta uma corrente no gate que dispara o SCR. A chave não precisa ser mantida pressionada.
No caso da Figura 9b, a chave que dispara é NF ( Normal Fechada), S4. Quando está fechada, não permite que corrente entre no gate. Ao ser aberta momentaneamente, a corrente em R2 entra no gate, disparando o SCR. Apos o disparo, o gate pode ser aberto ou ligado ao catodo. O reset é feito abrindo momentaneamente a chave S3.
No caso da Figura 9b, a chave que dispara é NF ( Normal Fechada), S4. Quando está fechada, não permite que corrente entre no gate. Ao ser aberta momentaneamente, a corrente em R2 entra no gate, disparando o SCR. Apos o disparo, o gate pode ser aberto ou ligado ao catodo. O reset é feito abrindo momentaneamente a chave S3.
4 Experiência: Diodo de 4 camadas e SCR - Circuito equivalente com transistores
4.1 Abra o arquivo ExpEN2_11 Diodo de 4 camadas e SCR circuito equivalente (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 10. Inicie a simulação e verifique o funcionamento atraves das chaves S1 (D no teclado) para disparar e S2 (R no teclado) para resetar.
Figura 10 - Circuito equivalente do SCR (Diodo Controlado) com transistore
Fonte: Multisim v. 14
Arquivo Multisim Live
4.2 Escreva suas conclusões.
5 Experiência: SCR em CC - Disparo por CC com carga CC
5.1 Abra o arquivo ExpEN2_12 SCR com disparo em CC e carga CC e identifique os circuitos da Figura 11. Inicie a simulação e verifique o funcionamento atraves das chaves S1 (D no teclado) para disparar e S2 (R no teclado) para resetar no circuito de reset fazendo UA=0. Repita o procedimento para o circuito de reset fazendo IA=0 usando as chaves S4 e S3.
( a ) ( b )
Figura 11 - Circuito de disparo em CC com carga CC ( a ) Reset fazendo UA=0 ( b ) Reset fazendo IA=0
Fonte: Multisim v. 14
Arquivo Multisim Live - Figura 11a Arquivo Multisim Live - Figura 11b
5.2 Abra o arquivo ExpEN2_12A SCR com disparo em CC e carga CC Indutiva (Multisim 14) identifique os circuitos da Figura 12. Inicie a simulação e verifique o funcionamento inicialmente com a chave S3 aberta (sem diodo).Dispare o SCR usando a letra D do teclado. Reset o SCR usando a chave S2 (letra R do teclado). O SCR não corta pois a carga é indutiva e em consequencia aparece uma FCEM (Força Contra Eletromotriz) que se opõe a diminuição da corrente impedindo que o SCR corte. A adição do diodo D2 em paralelo com a bobina do SCR elimina essa FCEM perimitindo o reset.
Figura 12 - Circuito de disparo CC carga CC indutiva (Relé)
Arquivo Multisim Live
5.3 Escreva as suas conclusões.