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Eletrônica de Industrial Prof. Fábio Donati Simões SCR e UJT – Princípios de funcionamento e operação SCRs Bibliografia: �Barbi, Ivo; Eletrônica de potência p.9 �SEMIKRON; Application Manual Power Semiconductors*Semiconductors* *Disponível para download na página: http://www.semikron.com/skcompub/en/SEMIKRON_A pplication_Manual_Power_Semiconductors_.pdf SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �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), TRIAC (tiristor triodo bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), GTO (tiristor comutável pela porta), MCT (Tiristor controlado por MOS). SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Princípio de funcionamento O tiristor é formado por quatro camadas semicondutoras, alternadamente p-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais flui a corrente, e a porta (ou gate) que, a uma injeção de corrente, faz com que se estabeleça a corrente anódica. A figura 2.1 ilustra uma estrutura simplificada do dispositivo.simplificada do dispositivo. Se entre anodo e catodo 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. SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros Desta forma, a junção reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e estabelece-se uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo na ausência da corrente de porta. Quando a tensão Vak for negativa, J1 e J3 estarão reversamente polarizadas, enquanto J2 estará diretamente polarizada. Assim, o tiristor bloqueará o fluxo de portadores enquanto não for superada a tensão de ruptura das duas junções. SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros É comum fazer-se uma analogia entre o funcionamento do tiristor e o de uma associação de dois transistores, conforme mostrado na figura abaixo Quando uma corrente Ig positiva é aplicada, Ic2 e Ik crescerão. Como Ic2 = Ib1, T1 conduzirá e teremos Ib2=Ic1 + Ig, que aumentará Ic2 e assim o dispositivo evoluirá até a saturação, mesmo que Ig seja retirada. Tal efeito cumulativo ocorre se os ganhos dos transistores forem maior que 1. O componente se manterá em condução desde que, após o processo dinâmico de entrada em condução, a corrente de anodo tenha atingido um valor superior ao limite IL, chamado de corrente de "latching". SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros Para que o tiristor deixe de conduzir é necessário que a corrente por ele caia abaixo do valor mínimo de manutenção (IH), permitindo que se restabeleça a barreira de potencial em J2. Para a comutação do dispositivo não basta, pois, a aplicação de uma tensão negativa entre anodo e catodo. Tal tensão reversa apressa o processo de desligamento por deslocar nos sentidos adequados osdesligamento por deslocar nos sentidos adequados os portadores na estrutura cristalina, mas não garante, sozinha, o desligamento. Devido a características construtivas do dispositivo, a aplicação de uma polarização reversa do terminal de gate não permite a comutação do SCR. SCRs – curvas características SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �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. �Tensão máxima reversa (Vbr).Tensão máxima reversa (Vbr). É a tensão que pode ser aplicada entre A e K sem causar dano no componente. �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; SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �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. �l² t: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. SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros Exemplo: 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 AI=Ip/(2^1/2)=4255,3 A Portanto: l² t=(4255,3) ² . 6 . 0.001 = 108645 A².s A proteção eficaz para o SCR deve atuar em um tempo menor que meio ciclo de senóide ( t<8,33 ms) . Na prática, esse tempo é limitado a 6 ms (tipicamente). Isso significa que o valor de I2t deve ser superior ao do fusível a ser utilizado como proteção nesse circuito. SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �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. �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. SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros 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"interdigital", isto é, o gate é colocado no centro do cristal e ocupa uma área maior que os antigos . �Corrente de manutenção ( IH): 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". SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Corrente mínima de disparo (Igk): É a corrente mínima necessária, entre o gate e cátodo, para levar o SCR ao estado de condução. �Tensão máxima entre gate e cátodo (Vgk): Esse é uma parâmetro muito importante no desenvolvimento de circuitos com SCR’s,pois o excessodesenvolvimento 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. SCRs – Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �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 UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros O UJT é um tipo de transistor que exemplifica consideravelmente os circuitos osciladores, disparadores e temporizadores. O encapsulamento do UJT tem a forma de um transistor comum, entretanto, suas características elétricasentretanto, suas características elétricas são completamente diferentes. Ele é um gerador de pulsos estreitos de alta potência e de curta duração. Assim, pode ser usado tanto em circuitos de chaveamento como em osciladores. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Símbolo �Terminais E – Emissor B1 – Base 1 B2 – Base 2 UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Constituição Interna e Simbologia O UJT é constituído de uma barra de silício do tipo N, fracamente dopado, com uma junção P. Possuindo trêsjunção P. Possuindo três terminais, o emissor (E) ligado ao cristal P e as bases (B1 e B2) ligadas às extremidades do material N que é levemente dopado, o que implica numa resistência elevada, da ordem de KΩ. UJT – Transistor Unijunção - Circuito Equivalente e funcionamento do UJT A Fig. 3 ilustra o circuito básico de conexão do UJT e a Fig. 4 ilustra o equivalente interno do transistor Fig. 3: Circuito básico Fig. 4: Analogia de funcionamento UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros Onde: �Vd é a tensão sobre o diodo que representa a junção PN; �Vbb é a tensão de polarização entre as base 1 e 2. �Ve é a tensão aplicada ao emissor sendo que Vcc deve ser maior que Ve; �Rbb é a resistência entre os terminais B1 e B2, sendo�Rbb é a resistência entre os terminais B1 e B2, sendo constituída pela soma de Rb1 e Rb2. Esta resistência possui valores entre 1 kΩ e 10 kΩ. (Rbb= Rb1 + Rb2); �ηηηη é a razão intrínseca de disparo, característica fornecida pelo fabricante, dependendo da posição do emissor em relação ás bases. Seu valor determina a relação entre o valor de Rb1 a Rb2. Tipicamente, o valor de ηηηη está compreendido entre 0,5 e 0,8. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Na Fig. 4 quando Ve < 0,7 + VRb1 o UJT estará cortado, pois o diodo está reversamente polarizado. Quando Ve = 0,7 + η .VBB = VP = tensão no ponto de pico, o diodo fica polarizado diretamente e o UJT disparará. �Se Ve for inferior a VRb1, o diodo é polarizado inversamente e o circuito comporta-se como se o emissorinversamente e o circuito comporta-se como se o emissor fosse um circuito aberto. Se, no entanto, Ve for aumentada de modo que ultrapassa VRb1 por pelo menos 0,7 V, o diodo torna-se polarizado diretamente e a corrente de emissor Ie flui para a região da base-1. Devido a isso, o valor de Rb1 diminui. Tem sido sugerido que esta é devida à presença de portadores de carga adicionais (lacunas) no canal N. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros Um aumento adicional de Ve faz com que a corrente de emissor para aumentar o qual, por sua vez reduz a Rb1, o que provoca um aumento na corrente. O valor de tensão do emissor em que isso ocorre é conhecido como o VP e tensão de pico é dada por: Vp = 0,7 + η .η .η .η .VBB Os pontos dignos de nota sobre UJT são dados abaixo: O dispositivo tem apenas uma junção, por isso é chamado de transistor unijunção. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �A estrutura de um UJT é bastante semelhante ao de um FET canal N. A principal diferença é que o material tipo-P (gate) circunda o de tipo N (canal) no caso do FET e a superfície de entrada do JFET é muito maior do que da junção emissor UJT. �Em um transistor unijunção o emissor é fortemente dopado,�Em um transistor unijunção o emissor é fortemente dopado, enquanto a região N é ligeiramente dopada. Assim, a resistência entre os terminais de base é relativamente alta, tipicamente 4 a 10 KOhm quando o emissor está em aberto. �O material tipo N da barra de silício tem uma elevada resistência e a resistência entre o emissor e de base-1 é maior do que entre emissor e da base-2. Isso se deve ao fato do emissor estar mais perto da base-2 que da base-1. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �O UJT é operado com a junção emissor polarizada diretamente, enquanto o JFET normalmente é operado com a junção da porta em polarização reversa. �O UJT não tem a capacidade de amplificar, mas tem a capacidade de controlar a alimentação de corrente alternada grande com um sinal pequeno. Ele apresenta uma característica de resistência negativa e por isso pode ser utilizado como um oscilador. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Parâmetros do transistor 2N2646 UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros � Curva característica de um UJT. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Oscilador de Relaxação com UJT Uma das principais aplicações do UJT é como oscilador de relaxação, ou seja, o período de oscilaçãoseja, o período de oscilação do circuito pode dividir-se em dois intervalos. É um circuito em que a freqüência é controlada pela carga e descarga de um capacitor através de um resistor. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �No circuito anterior, o resistor R1 tem duas funções: fornecer pulsos de tensão de saída do oscilador e limitar a corrente de descarga do capacitor, protegendo o UJT. O R2 estabiliza termicamente o UJT por meio da variação de tensão. �Quando a alimentação é ligada pela primeira vez, o�Quando a alimentação é ligada pela primeira vez, o capacitor se encontra descarregado, logo VC = VE = 0, portanto o UJT estará cortado (IE=0). �Nessas condições o capacitor começa a se carregar através de R, tendendo a tensão nele para +VCC com constante de tempo ττττ=R.C. �Quando VC = VP = VE = 0,7V+ ττττ.VBB; o UJT dispara fazendo o capacitor se descarregar através do UJT e da resistência RB1. UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros (A) Formas de Onda no Capacitor e (B) Forma de onda entre B1 e Emissor UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Quando VC cair abaixo de VV (tensão crítica mínima do emissor) o UJT corta e C volta a se carregar e o ciclo se repete. �A forma serrilhada da onda é causada pela carga relativamente lenta do capacitor e sua descarga muito rápida. A forma de onda de saída corresponde a um picoderápida. A forma de onda de saída corresponde a um pico de tensão provocado pela descarga rápida de C através de R1. �O tempo de carga pode ser calculado, aproximadamente, por: Tempo de carga Ton = 0,69.R.C �Como o período de descarga é muito menor que o de carga, podemos dizer que T = Ton e a freqüência será dada por: RC F 69,0= UJT – Transistor Unijunção - Princípio de funcionamento, curvas características e principais parâmetros �Circuito de aplicação: Acionador de SCR UJT – Transistor Unijunção - Acionador de SCR UJT – Transformador de pulso UJT – Transformador de pulso
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