(SCR)

Funcionamento Físico do Silicon Controlled Rectifier (SCR)

1. 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").

2. Funcionamento Físico:

Naturalmente qualquer dispositivo NPNP deveria bloquear a passagem de corrente em qualquer direção, pois em ambas haveria ao menos uma junção P-N reversamente polarizada. Essa propriedade será primeiramente analisada, e em seguida explicaremos a passagem deste estado para o estado condutor sob o controle do gate. Antes porém faremos uma pequena revisão sobre junções P-N.

Figura 2.1 – Esquema do SCR

2.1 Dopagem:

O germânio e o silício são elementos tetravalentes de estrutura cristalina tipo tetraédrica, com ligações por covalência, assemelhando-se ao diamante. Cada átomo é cercado por quatro vizinhos, sendo as ligações feitas por quatro pares eletrônicos. Os quatro elétrons de valência do átomo de germânio considerado entram na composição destes pares, os outros elétrons são fornecidos pelos átomos vizinhos do átomo considerado. Os elétrons de valência são os únicos que participam dos fenômenos de condução elétrica do semicondutor.

O silício é basicamente extraído da areia e tem sido utilizado por séculos na fabricação de utensílios de ferro, porcelana e tijolos. Na sua forma pura não presta à construção de dispositivos eficientes; sua condutividade é muito pequena para usos práticos. A eles são misturadas, então, "impurezas" (átomos de outros elementos com aproximadamente as mesmas dimensões dos átomos do semicondutor) tri ou pentavalentes na proporção, em peso, de algumas partes por milhão. A "dopagem" do semicondutor, como é chamada a preparação da liga, é feita sempre sobre cuidadoso controle e tem como objetivo reduzir a resistividade do material. O silício dopado então, pode atuar como condutor ou como não condutor, dependendo da polaridade de uma carga elétrica aplicada no material. Se as impurezas forem elementos trivalentes, o semicondutor é denominado tipo P (de positivo), se forem pentavalentes, tipo N (de negativo). Na verdade quando isolados ambos tipos são eletricamente neutros, mas semicondutores do tipo N possuem elétrons livres (um para cada átomo de impureza), enquanto semicondutores tipo P possuem lacunas livres (buracos aptos a receberem elétrons).

Figura 2.2 - Dopagem de elementos semicondutores

Figura 2.3- Densidade de impurezas e largura das regiões p e n

2.2 Junções P-N:

Uma junção P-N é a região que separa um semicondutor do tipo p de outro do tipo n. Essa região possui características muito peculiares, o que justifica a grande diversidade de dispositivos semicondutores existentes. Naturalmente qualquer junção deste tipo possui uma propensão a conduzir corrente no sentido p à n (lembrando que a corrente elétrica é sempre arbitrada no sentido contrário ao do fluxo de elétrons). Ou seja, os elétrons excedentes são requisitados pelos buracos excedentes. Mas essa corrente não ocorre espontaneamente porque os dois tipos de semicondutores são eletricamente neutros e um elétron que se desprende do seu átomo sofrerá uma força de atração (força de Coulomb) do próton com o qual ele configurava um "estado ligado". Porém uma corrente externa pode fornecer os elétrons necessários para neutralizar os prótons. Mas a situação não é assim tão simples, conforme analisaremos.

Em seu estado natural (sem voltagem externa), uma junção P-N cria uma região de depleção ao seu redor, cuja largura depende da concentração de impurezas em ambos tipos de semicondutores (que podem e normalmente são diferentes dos dois lados da junção) e também da temperatura. No material tipo n essa região possui carga positiva e é caracterizada pelas lacunas dos elétrons que atravessaram a junção (aleatoriamente) e foram coletados pelas lacunas do material tipo p. Consequentemente, no material tipo p essa região terá uma carga negativa, pois a mesma é caracterizada pelos elétrons coletados do semicondutor tipo n. Esta separação de cargas gera um campo elétrico interno, que atua como uma barreira de potencial a qual os próximos elétrons que tentarem cruzar a junção deverão suportar. Essa barreira é normalmente projetada para ter um valor de aproximadamente 0,7 volt e é responsável pela característica universal dos diodos.

Quando se aplica uma tensão no material tipo p maior do que a do terminal do material tipo n diz-se que a junção está polarizada diretamente, e basta que esta diferença se aproxime do valor da barreira de potencial para o dispositivo começar a conduzir. Quando a tensão entre os dois terminais supera a tensão da barreira, a condutividade aumenta enormemente, e a corrente passa praticamente desimpedida.

Quando a tensão é aplicada ao terminal tipo n diz-se que a junção está polarizada reversamente, e a mesma apresenta uma resistência muito grande. Se esta tensão for alta, pode ocorrer uma "ruptura". Existem dois tipos de ruptura: efeito zener e efeito avalanche.

O ruptura zener ocorre quando a tensão externa é tal que ocasiona a quebra de ligações covalentes e a geração de pares elétron-lacuna O efeito avalanche ocorre quando a tensão externa acelera um elétron livre a tal velocidade que o choque do mesmo com outros elétrons liberam os mesmos que por sua vez também são acelerados e libertam outros elétrons numa avalanche eletrônica. A tensão necessária para que estes eventos ocorram varia bastante, podendo ser de uns 5 volts (diodo zener) até valores bem maiores. No caso de SCRs estes efeitos serão desprezados, pois mesmo sob as altas tensões às quais são submetidas as junções não se observa estes efeitos.

2.3 A Estrutura NPNP:

Conforme mencionado anteriormente um SCR é construído dopando-se quatro materiais e concatenando-os de modo a formar uma seqüência NPNP com três junções P-N, duas em um sentido e uma no outro. Aplica-se então uma tensão no anodo (terminal do material tipo p externo) em relação ao catodo (terminal do material tipo n externo). Desta forma polariza-se 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 2.3, podemos polarizar diretamente todas as junções P-N, levando a carga ao estado "ON".

Figura 2.4 – 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 interpretá-la como dois transistores bipolares distintos conectados conforme a figura 2.4, 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 2.5 – 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 a de ambos transistores se somem de modo que a ₁ + a ₂ ³ 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 a ₁ + a ₂ = 1. O ponto crucial do controle do GATE reside no fato de ambos parâmetros a serem funções da temperatura e da corrente. Assim, dopa-se 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. Fornecendo-se 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 a . Logo uma corrente no gate ativa o dispositivo, mas uma vez ativado ela pode ser cortada, pois a ₁ + a ₂ será superior a 1 até que a corrente total diminua a ponto do dispositivo bloquear novamente

Parâmetros básicos do SCR

Figura – característica corrente-tensão

Esses parâmetros devem ser levados em conta nos projetos.

1. Tensão de disparo (Vbo):

É a tensão que podemos Ter entre A(anodo) e K(catodo) 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.

2. Tensão máxima reversa (Vbr).

É a tensão que pode ser aplicada entre A e K sem causar dano no componente.

3. 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;

4. 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.

5. 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 deve-se levar em conta que uma proteção eficaz para o SCR deve atuar em um tempo menor que meio ciclo de senóide ( t<8>

Suponha que o surto máximo previsto seja 6KA, isto é, Ip=6000 A. .

O valor de l² t, adotando 6 ms como tempo máximo admissível, será:

I=Ip/(2^1/2)=4255,3 A

Portanto:

l² t=(4255,3) ² . 6 . 0.001 = 108645 A².s

Isso significa que esse valor deve ser superior ao fusível a ser utilizado como proteção nesse circuito.

6. Taxa máxima de crescimento da tensão direta Vak (dv/dt):

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.

7. Taxa máxima de crescimento de corrente ( di/dt) :

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, espalha-se radialmente até preencher toda a área do cátodo. Nos SCR’s antigos, por facilidade construtivas, o gate era colocado na periferia da estrutura cristalina.

Dependendo da velocidade de crescimento da corrente Iak( di/dt), 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 SCR’s 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 .

8. 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".

9. Corrente mínima de disparo (Igk):

É a corrente mínima necessária, entre o gate e cátodo, para levar o SCR ao estado de condução.

10. Tensão máxima entre gate e cátodo (Vgk):

Esse é uma parâmetro muito importante no desenvolvimento de circuitos com SCR’s, pois o excesso de tensão entre o gate e o cátodo pode danificar o componente. Normalmente a tensão de disparo encontra-se entre 0,7 V e 2,0 V.

11. 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.

Aplicações de SCR

O SCR possui quatro importantes aplicações que são descritas a seguir :

Chave estática

Sistema de controle de fase

Carregador de bateria

Sistema de emergência de iluminação com uma única fonte

A figura (1) a seguir mostra uma chave estática série de meia onda .

Se a chave estiver fechada ,haverá uma corrente de porta durante o ciclo positivo do sinal de entrada ,ligando o SCR . O resistor R1 limita a corrente de porta .Quando o SCR começa a conduzir ,a tensão anodo – catodo (Vf) cai para um valor de condução ,resultando numa forte redução na corrente de porta ,com uma perda muito pequena no circuito de porta. Para o ciclo negativo do sinal de entrada o SCR desliga ,pois o anodo fica negativo em relação ao catodo .O diodo D1 é para evitar a inversão da corrente de porta .

Na mesma figura são apresentadas as formas de onda para a corrente e tensão na carga . O resultado é um sinal retificado de meia onda através da carga . Se for desejada a condução em menos do que 180 graus , pode - se fechar a chave em qualquer instante durante o ciclo positivo do sinal de entrada . A chave pode ser eletrônica , eletromagnética ou mecânica , dependendo da aplicação .

A figura (2) mostra um circuito capaz de estabelecer um ângulo de condução entre 90 e 180 graus .

O circuito é semelhante ao da figura 1 exceto pelo acréscimo de um resistor variável e a eliminação da chave .Os resistores R e R1 limitam a corrente de porta durante o ciclo positivo do sinal d entrada . Para R1 igual ao seu valor máximo pode acontecer que a corrente de porta nunca atinja o valor de disparo . conforme R1 diminui em relação ao valor máximo , se mantivermos a tensão de entrada fixa , a corrente de porta aumenta até o valor necessário para o disparo , que pode ser estabelecido em qualquer ponto entre 0 e 90 graus , conforme mostrado na figura . Se R1 for pequeno , O SCR dispara quase que imediatamente , resultando na mesa ação do circuito da figura 1 (180 graus d condução) . Porém , conforme apontado acima , aumentado R1 será necessária uma tensão de entrada maior (positiva) para disparar o SCR . Conforme a figura 2 ,o controle pode ser feito após a fase de 90 graus , uma vez que o valor máximo da entrada ocorre neste ponto . Se o disparo falhar neste ponto e nos pontos anteriores , quando o sinal de entrada está aumentado , deverá acontecer o mesmo quando o sinal estiver diminuindo . Em termos técnicos , essa operação é chamada controle de fase de meia onda por resistência variável . É um método efetivo de controle da corrente rms e , portanto , da potência de carga .

Uma terceira aplicação bastante comum do SCR é no regulador de carregador de bateria . A figura (3) mostra os componentes fundamentais ao circuito .

O circuito de controle foi sombreado , indicando que não será por nós discutido .

Conforme indicado na figura D1 e D2 fazem com que o sinal nos terminais do SCR1 seja um sinal retificado de onda completa , carregando a bateria de 12 V . Quando a tensão da bateria for baixa , o SCR2 permanece no estado desligado , pelos motivos que serão explicados brevemente . Com o SCR2 aberto , o circuito de controle do SCR1 é exatamente o mesmo do controle da chave estática tratada anteriormente . Quando a entrada retificada de onda completa for suficientemente grande para produzir a corrente de porta necessária para o disparo (controlada por R1) , o SCR1 começará a conduzir carregando a bateria . No início da carga a baixa tensão da bateria resultará em uma baixa tensão Vr determinada pelo circuito divisor de tensão . Por outro lado , Vr é muito pequeno para dar os 11 V de condução para o zener . No estado desligado o zener é efetivamente um circuito aberto , mantendo o SCR2 desligado , pois a corrente de porta é zero . O capacitor C1é para evitar qualquer tensão transitória no circuito ,provocada pelo disparo acidental do SCR2 . Sabe – se da teoria básica de circuitos que a tensão nos terminais de um capacitor não pode variar instantaneamente . Dessa forma , C1 evita que defeitos transitórios afetem o SCR . Conforme a carga continua , a tensão da bateria sobe até o ponto em que Vr seja suficientemente alto para dar os 11 V para ligar o zener e disparar o SCR2 . Nessas condições o SCR2 corresponderá a um curto circuito , resultando no circuito divisor de tensão determinado por R1 E R2 , que manterá V2 em nível muito baixo para disparar o SCR1 . Quando isto ocorrer a bateria estará totalmente carregada , e o estado aberto do SCR1 cortará a corrente de carga .Portanto , o regulador recarrega a bateria sempre que a tensão cai e evita sobrecarga quando ela está totalmente carregada .

A última aplicação para o SCR a ser descrita é mostrada na figura 4 .

É um sistema de emergência para iluminação de uma única fonte , que manterá a carga de bateria em 6 V para garantir a sua disponibilidade e também fornecer a energia DC para uma lâmpada de aviso em caso de falta de energia .

Haverá um sinal retificado de onda completa nos terminais da lâmpada de 6 V devido aos diodos D1 e D2 . O capacitor C1 carregará até uma tensão um pouco menor que a diferença entre o valor de pico do sinal retificado de onda completa e a tensão DC nos terminais de R2 produzida pela bateria de 6V . Em qualquer situação , o potencial do catodo do SCR1 é mais alto que o do anodo , e a tensão porta – catodo é negativa , garantindo que o SCR não conduz . A bateria está sendo carregada através de D1 e R1 a uma taxa determinada por R1 . A bateria estará se carregando apenas quando o anodo de D1 for mais positivo que seu catodo . O nível DC do sinal retificado de onda completa manterá a lâmpada de sinalização acesa quando houver energia . Havendo falta de energia , o capacitor C1 se descarregará através de D1 , R1 e R3 até que o catodo de SCR1 seja menos positvo que o anodo . Ao mesmo tempo o nó entre R2 e R3 se tornará positivo estabelecendo uma tensão porta – catodo suficiente para disparar o SCR . Uma vez disparado , a bateria de 6 V se descarrega através do SCR1 mantendo assim a iluminação . Ao voltar a energia o capacitor C1 se recarregará e restabelecerá o estado de não condução do SCR1 , conforme descrito acima .