Introdução aos tiristores

Introdução aos tiristores

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 – 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 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, podemos polarizar diretamente todas as junções P-N, levando a carga ao estado "ON".

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 interpretá-la 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 + α 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 + α 2 = 1. O ponto crucial do controle do GATE reside no fato de ambos parâmetros α 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 α . Logo uma corrente no gate ativa o dispositivo, mas uma vez ativado ela pode ser cortada, pois α 1 + α 2 será superior a 1 até que a corrente total diminua a ponto do dispositivo bloquear novamente

Parâmetros básicos do SCR

Figura 4 – característica corrente-tensão

Esses parâmetros devem ser levados em conta nos projetos.

a. 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.

b. Tensão máxima reversa (Vbr).

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

c. Corrente