Uma família importante de dispositivos utilizados principalmente em controles de potência é a dos tiristores (Thyristor) ou diodos de quatro camadas.
Formados por uma estrutura em que quatro camadas de materiais semicondutores P e N são formadas, eles apresentam características de resistência negativa e de disparo muito interessantes para aplicações em controle.
Dependendo do arranjo dessas camadas de materiais semicondutores, poderemos ter diversos tipos de dispositivos que atualmente são utilizados em aplicações práticas tanto envolvendo circuitos de corrente contínua como alternada.
O dispositivo que estudaremos neste item é o primeiro da série, e também um dos mais utilizados, sendo encontrado em inversores, controles PWM, controles lineares e muito mais.
O primeiro SCR foi proposto por William Shockley, mas só começo a ser comercializado em 1956. Mas, foi em 1967 que o C106 da General Electric se tornou popular sendo até hoje comercializado, com versões mais modernas como os TIC106 ou MCR106.
Este componente com capacidade de condução de 3 a 4 A, conforme o fabricante foi seguido de tipos que hoje podem operar com milhares de ampères e milhares de volts, usados em controles de motores de locomotivas, máquinas industriais e muito mais.
Estrutura e funcionamento do SCR
SCR significa Silicon Controlled Rectifier que traduzindo nos leva a Retificador Controlado de Silício ou ainda Diodo Controlado de Silício. Trata-se de um semicondutor que lembra no comportamento um diodo, mas que pode ser controlado ou disparado externamente e com isso deixar passar correntes intensas.
Estruturalmente o SCR consiste num diodo de 4 camadas, conforme o leitor poderá constatar pela figura 1.
Estas quatro camadas, se cortadas da forma que o leitor poderá ver pela figura 2 nos levam ao circuito equivalente do SCR, que é formado por dois transistores complementares unidos pelos seus elementos.
Na figura 3 temos o símbolo adotado para representar os SCRs os aspectos dos tipos mais comuns.
Veja que os tipos mais usados possuem recursos para montagem em radiadores de calor. Os SCRs são identificados por um código de fábrica.
Uma série muito comum é a TIC da Texas, com tipos como o TIC106 e outros, além da série MCR como o MCR106 da Motorola.
No entanto, é preciso estar atento porque o prefixo TIC também serve para designar outros componentes da família dos tiristores.
Assim, se tomarmos este circuito equivalente, será bem mais fácil analisar como funciona o SCR, se bem que na prática, dois transistores ligados da forma indicada não deem origem a um componente com as mesmas características de um SCR fabricado em estrutura única.
Analisemos então como funciona este circuito equivalente. Conforme podemos ver, os dois transistores estão ligados de modo a formar uma “chave regenerativa”, ou seja, o coletor de um está ligado na base do outro e o coletor do outro na base do primeiro. Uma das bases corresponde ao eletrodo de disparo o “gate” (comporta - abreviada por G).
Para polarizar o SCR de modo a termos seu funcionamento normal, devemos aplicar uma tensão positiva ao anodo, deixando o catodo sob potencial mais baixo, ou seja, negativo.
Nestas condições, apenas uma corrente muito fraca pode circular pelo componente devida a fugas dos elementos internos. Esta corrente é da ordem de milionésimos de ampère, e normalmente é desprezada, conforme o leitor poderá ver na figura 4.
Para disparar o SCR devemos aplicar um sinal positivo no elemento de comporta (G), de modo que a junção base-emissor do transistor NPN seja polarizada no sentido direto.
Nestas condições, a corrente que circula pela base deste transistor é amplificada dando origem a uma corrente maior de coletor.
Mas, o coletor do transistor NPN está ligado à base do transistor PNP e, de tal forma que, circulando corrente nesta conexão, ela terá um sentido tal que fará o transistor PNP entrar em ação, amplificando-a.
O resultado é que, agora, por um efeito que se propaga, temos o aparecimento de nova corrente amplificada no coletor do transistor PNP.
Veja, entretanto, que o transistor PNP tem seu coletor ligado de volta à base do transistor NPN, fechando assim um sistema de realimentação. Desta forma, a corrente de coletor do transistor PNP vem se somar à corrente de disparo, aumentando ainda mais a corrente no transistor NPN.
O resultado final é que todas as correntes neste circuito vão aumentar de intensidade até o máximo determinado pelas características de saturação do componente e, mesmo que tenhamos retirado o sinal inicial que deu origem ao processo, o componente continua conduzindo por um efeito de realimentação, conforme mostra a figura 5.
Circula então entre o anodo e o catodo do componente uma forte corrente que não depende mais do sinal que foi usado no disparo.
SCRs comuns são muito sensíveis podendo conduzir correntes de até alguns ampères entre o anodo e o catodo, quando um sinal de disparo de menos de 1 mA á aplicado à sua comporta.
Para desligar o SCR, pois ele continua conduzindo mesmo depois de desaparecida a corrente de comporta inicial, temos diversas possibilidades.
Uma delas consiste em interromper por um momento a corrente principal, que circula entre o anodo e o catodo. Basta então desligar por um momento a alimentação para que o SCR desligue e fique à espera de um novo pulso de disparo. A figura 6 mostra como isso pode ser feito.
Outra possibilidade consiste em curtocircuitar por um momento o anodo e o catodo, conforme mostra a figura 7.
Na verdade, pressionando o interruptor em paralelo com o SCR por um instante, o que estamos fazendo na realidade é reduzir a zero a tensão entre o anodo e o catodo, cortando assim o fluxo principal de corrente pelo componente.
Uma terceira maneira de se “desligar” o SCR consiste em reduzir a corrente principal a um valor mínimo abaixo daquele que o componente precisa para funcionar.
De fato, quando disparado, o SCR precisa de uma intensidade mínima de corrente entre seu anodo e o catodo para se manter ligado.
Esta, corrente é denominada “corrente de manutenção”, abreviada por IH nos manuais (de Holding Current) e vale algumas dezenas de miliampères para os tipos comuns, conforme o leitor poderá observar clicando na figura 8.
Observe o leitor que realmente o SCR se comporta como um diodo, pois a corrente principal só pode circular entre o anodo e o catodo num único sentido, daí o símbolo adotado.
O fato de que este componente só pode conduzir a corrente num sentido e que uma vez disparado, assim se mantém mesmo depois de desaparecida a corrente que o ligou, traz alguns inconvenientes para determinados projetos, mas estes inconvenientes podem ser superados, conforme veremos com a utilização de outros componentes da mesma família.
A curva característica do SCR lembra a dos diodos semicondutores, conforme podemos ver pela figura 9.
Mais adiante, quando analisarmos as especificações dos SCRs o significado dos principais pontos assinalados ficará mais claro.
Na interessante família dos tiristores à qual pertence o SCR, encontramos outros dispositivos como o GTO (Gate Turn-Off SCR) que é justamente um SCR que pode ser “desligado” pela aplicação de um pulso negativo na sua comporta; encontramos os TRIACs que são dispositivos comutadores bilaterais, ou seja, de comportamento semelhante aos SCRs, mas que podem conduzir a corrente em ambos os sentidos; encontramos os DIACs, SUS, SBSs e muitos outros.
Neste mesmo livro o leitor ainda vai conhecer vários deles, incluindo o GTO que é um SCR que desliga com um sinal de gate.
Especificações
Os SCRs podem operar com correntes de vários ampères e, quando desligados, podem manter tensões de centenas ou mesmo milhares de volts entre seu anodo e o catodo.
No entanto, ao usarmos um SCR, mesmo sendo muito robusto em relação aos transistores bipolares e MOSFETs comuns que são mais delicados, temos também que observar alguns limites e também cuidados.
Uma inversão indevida de polaridade ou das condições do sinal de disparo, mesmo que de alguns poucos volts, ou ainda um excesso de corrente ou tensão entre o anodo e o catodo podem levar o componente à queima.
Damos a seguir as especificações que devem ser observadas quando usamos um SCR num projeto:
Tensão máxima entre o anodo e o catodo (VD e VR)
Quando o SCR está desligado, ele pode suportar uma tensão máxima que o polariza tanto no sentido direto como inverso, que é dada acordo com o tipo. A abreviação VR nos manuais se refere à tensão inversa, enquanto que o VD se refere à tensão direta.
Os valores em questão se referem a máximos contínuos, já que se tivermos um pico de curta duração, o componente poderá ainda suportá-lo. O valor máximo do pico é também dado nos manuais e é maior do que o valor contínuo, conforme a figura 10.
Corrente máxima no sentido direto (ID)
É a corrente máxima contínua que o SCR pode conduzir uma vez disparado. Se o circuito trabalhar com corrente pulsante, no caso os semiciclos de uma corrente alternada que são senoidais, também podemos especificar o valor RMS, conforme o leitor poderá ver clicando na figura 11.
Quando um SCR está conduzindo a corrente, ele ainda apresenta uma certa resistência. Seu comportamento é tal que entre o anodo e o catodo, independentemente da intensidade da corrente conduzida, existe uma queda de tensão da ordem de 2,0 V.
Esta tensão, multiplicada pela intensidade da corrente conduzida determina a quantidade de calor produzida no componente.
Assim, para uma corrente de 3,0 ampères temos: 3,0 x 2,0 = 6,0 watts de potência gerada, que precisa ser dissipada convenientemente.
Corrente de manutenção (holding current – Ih)
É a menor corrente que pode circular entre o anodo e o catodo quando o SCR se encontra disparado, sem que ele desligue.
Potência de dissipação (Pd)
Esta potência, na realidade, já está determinada pela corrente máxima, pois como vimos, a queda de tensão de 2,0 V no componente na condução direta é constante.
Corrente de disparo (IGT)
A corrente mínima que deve circular pelo eletrodo de comporta do SCR para que ele dispare é um dado muito importante em qualquer projeto que envolva este componente, pois ela é uma medida de sua sensibilidade.
Para os SCRs comumente encontrados nos circuitos de computadores e em muitos aparelhos de uso comum além dos usados em nossos trabalhos, esta corrente pode estar entre 100 ou 200 µA até 100 ou 200 mA dependendo do tipo.
Para fazer circular pelo componente a corrente de disparo temos de vencer a barreira de potencial da junção base-emissor do transistor NPN “equivalente” ao SCR, conforme mostra a figura 12.
Precisamos então de uma tensão que tipicamente estará entre 0,6 V e 1,0 V para os tipos comuns, chegando em alguns casos a 2 V.
Velocidade de operação (dV/dt e di/dt)
Quando disparamos um SCR, a tensão entre o anodo e o catodo não cai imediatamente a zero, dando assim passagem para a corrente total. O SCR é um dispositivo relativamente lento e isso deve ser considerado no uso e na própria substituição.
Medimos a velocidade da operação de um SRC através da taxa de variação da tensão no desligamento, ou seja, a variação da tensão de anodo em cada microssegundo (dV/dt) conforme mostra o gráfico da figura 13.
Nele também mostramos que ao desligar o dispositivo a corrente não cai a zero imediatamente, mas sim numa taxa designada por di/dt.
Em função destas especificações precisamos tomar cuidados com o uso do SCR, que vão além de obedecer os limites indicados pelos manuais.
Além delas encontramos outras que podem ser úteis quando realizamos projetos com estes componentes como: resistências térmicas, temperaturas, etc. e que são semelhantes às especificadas para outros componentes que já estudamos neste livro.
Considerações sobre o uso
Um cuidado muito importante que deve ser tomado com este tipo de componente é o de nunca tentar aplicar um pulso ou tensão de disparo negativa na comporta quando o anodo estiver negativo em relação ao catodo, conforme mostra a figura 14.
Se isso ocorrer, o SCR pode queimar. Uma solução para evitar que isso aconteça, é ligar um diodo na comporta do componente, se no circuito em que ele funcionar houver a possibilidade de ocorrer a inversão, tanto do disparo como da alimentação.
Na figura 15, mostramos como esse diodo é ligado.
Para melhor aproveitamento de nossa lição será interessante dividir as aplicações do SCR em dois grupos: circuitos de corrente contínua e circuitos de corrente alternada.
Nos equipamentos eletrônicos em geral poderemos encontrar os dois tipos de circuitos e o leitor deve estar preparado para fazer sua identificação.
Circuitos de corrente contínua
Nos circuitos de corrente contínua, não temos muitos problemas de utilização, já que basta manter o anodo positivo em relação ao catodo.
A carga é ligada normalmente em série com o anodo, conforme mostra a figura 16.
É possível em alguns casos ligar a carga ao catodo, conforme mostra a figura 16, no entanto, não se trata de procedimento muito interessante já que desta forma é dificultado o disparo, pois normalmente precisaremos de uma tensão que será a soma da tensão normal de disparo com a tensão que representa a queda na carga.
Se bem que o SCR possa funcionar tanto em circuitos de corrente contínua como alternada, observamos que ele conduz a corrente num único sentido.
Assim, se desejarmos um controle completo, com a condução da corrente para a carga nos dois sentidos, temos de usar dois SCRs e a conexão pode ser feita de diversas formas.
Na figura 18 temos, por exemplo, a conexão de uma carga num circuito AC usando dois SCRs.
Na figura 19 temos o modo de se controlar uma carga em onda completa usando apenas um SCR.
Neste circuito, os diodos da ponte devem ser capazes de conduzir a corrente exigida pela carga.
Finalmente, na figura 20 temos um circuito em ponte, com controle de onda completa, utilizando dois diodos e dois SCRs.
Para o circuito de disparo, temos diversas opções.
Respeitando-se a corrente máxima e tensão máxima suportadas pelo SCR, para dispará-lo basta aplicar um sinal à comporta, o que pode ser feito de duas formas, conforme mostra a figura 21.
Num caso a corrente é aproveitada do próprio circuito que alimenta a carga, responsável pela corrente principal. Um resistor (R) limita a intensidade da corrente de disparo.
Noutro caso, aproveitamos um circuito separado que, no entanto, tem um elemento em comum com o circuito da corrente principal, correspondendo ao catodo.
Observe que, se as correntes dos dois circuitos circulam em comum pelo catodo, os dois circuitos (carga e controle) não se interferem. Isso significa que, na prática, o circuito da carga pode ser de alta tensão, e o de controle de baixa tensão, sem que isso signifique qualquer problema.
Esta característica do SCR poder controlar cargas de alta potência a partir de sinais de baixa intensidade lembra muito o relé.
No entanto, se o SCR é muito menor e mais barato que o relé, ele apresenta uma séria desvantagem neste tipo de aplicação: não existe isolamento entre o circuito de controle e o circuito de carga, conforme o leitor poderá ver na figura 22.
Para desligar o SCR neste tipo de aplicação, já que estamos operando com corrente contínua, precisamos interromper por um momento a corrente ou curtocircuitar por um momento o anodo e o catodo.
Alguns tipos de SCRs, como por exemplo, o TIC106 (Texas), exigem em determinadas aplicações o uso de um resistor adicional de polarização de comporta, cujo valor estará entre 1 k e 47 k ohms, conforme poderemos observar na figura 23.
Sem este resistor, com uma tensão muito alta entre anodo e catodo, a corrente de fuga pode tornar-se suficientemente intensa para dar início ao processo de realimentação, e com isso provocar o disparo. O SCR disparará “sozinho” se este resistor não for acrescentado para desviar a corrente de fuga que circularia pela junção gate-catodo.
Circuitos de corrente alternada
Neste caso precisamos levar em conta dois fatos importantes: um é que a corrente alternada inverte seu sentido constantemente, enquanto que o SCR só conduz a corrente num sentido.
Se mantivermos o SCR disparado aplicando uma corrente alternada no circuito de carga, teremos somente a condução dos semiciclos positivos, conforme mostra a figura 24.
Por outro lado, se aplicarmos um pulso de curta duração para o disparo, dependendo do instante no semiciclo da tensão que alimenta o circuito, o SCR pode disparar ou não, e em função deste disparo, podemos ter a sua condução por mais ou menos tempo, já que, obrigatoriamente quando a tensão cai a zero no final de cada semiciclo, o SCR desliga, conforme poderemos observar na figura 25.
Esta característica poderá ser usada numa modalidade muito importante de aplicações para os SCRs, que são os controles de potência para a rede de corrente alternada.
Vamos detalhar melhor o funcionamento do SCR numa destas aplicações partindo do circuito da figura 26 que é típico.
A tensão de disparo do SCR é alcançada em função do tempo de carga do capacitor C através do resistor R.
Supondo que esta tensão seja alcançada logo no início do semiciclo, o SCR dispara e já conduz praticamente todo o semiciclo para a carga, que então recebe a potência máxima.
Se o valor de R for grande, a tensão de disparo só é alcançada no final do semiciclo, e quando o SCR “liga” a carga, recebe somente o “finalzinho” do semiciclo, o que corresponde a uma potência mínima, conforme o leitor poderá ver na figura 27.
Veja que, se fizermos R variável, podemos controlar a potência aplicada a uma carga.
Este tipo de controle é denominado controle linear de potência ou controle de potência por ângulo de fase.
A denominação “ângulo de fase” vem do fato de que podemos disparar o SCR em qualquer momento entre 0 e 180º de um semiciclo, para obter uma parcela de sua condução.
Na prática não conseguimos um controle total da potência de 0 a 100% do semiciclo, pois, conforme vimos, o SCR precisa esperar até que a tensão alcance de 0,6 a 2 V na sua comporta para que ele dispare, ou então a tensão de disparo do dispositivo comutador usado.
Assim, existe uma pequena “faixa morta” que deve ser considerada nas aplicações práticas.
Outro problema que ocorre é que o SCR conduz apenas metade dos semiciclos da corrente alternada da rede de energia assim, num circuito como o mostrado, a potência varia de 0 a 50%.
Usando o circuito que mostramos na figura 19 ou ainda o circuito da figura 28 podemos ter um controle de onda completa.
Na figura 29 temos outra forma de obter um controle de onda completa com um SCR e uma ponte de diodos;
Lembre-se de que os diodos devem ser capazes de conduzir a corrente total da carga.
Por outro lado, se mantivermos a comporta continuamente polarizada por meio de uma fonte externa, certamente o SCR ligará tão logo tenhamos pelo menos 2,0 V entre o anodo e o catodo, e assim teremos a condução dos semiciclos positivos para a carga.
Nesta aplicação o SCR funciona como espécie de interruptor ou relé, ligando e desligando uma carga a partir de correntes muito fracas.
Esta é justamente uma das aplicações importantes do SCR, como interruptor de estado sólido ou ainda como relé de estado sólido.
Problemas de interferências (RFI)
RFI ou Radio Frequency Interference (Interferência por Radio Freqüência) é um problema que preocupa todos os fabricantes de equipamentos eletrônicos.
Existem normas muito bem estabelecidas que determinam os limites de ruído e interferências que qualquer equipamento eletrônico pode gerar.
As empresas devem se enquadrar nessas normas se quiserem vender seus equipamentos.
O fato do SCR ser um componente comutador rápido faz com que na sua comutação sejam gerados sinais indesejáveis ou transientes que, propagando-se ou pela própria rede de alimentação ou pelo espaço, interferem em receptores de rádio e até televisores.
O espectro dos sinais gerados pelos SCRs em comutação, e outros dispositivos que estudaremos neste livro, podem chegar a 100 MHz, o que significa um considerável potencial de interferências numa grande quantidade de equipamentos de comunicações.
Rádios AM, televisores analógicos da faixa de VHF, são alguns eletro-eletrônicos bastante sensíveis às interferências causadas por SCRs.
Desta forma, é comum que circuitos que utilizem SCRs causem interferências que precisem ser eliminadas.
Na figura 30 mostramos um filtro para estas interferências, o qual serve para evitar sua ação via rede. Ligado em série com o aparelho que usa o SCR, ele evita que as interferências geradas saiam do aparelho e se propaguem pela rede.
Uma configuração muito comum, encontrada em fontes chaveadas que utilizam não apenas SCRs como outros componentes, é a que faz uso de um transformador diferencial toroidal, conforme mostra a figura 31.
Neste tipo de filtro os enrolamentos do transformador são feitos de tal modo que os sinais de interferência provenientes do circuito se cancelam.
Ligado em série com o aparelho interferido, o filtro evita que sinais interferentes que venham pela rede cheguem até ele. Veja que este tipo de filtro serve apenas para as interferências que se propagam pela rede de alimentação.
Nos casos em que a interferência vem pelo espaço, na forma de ondas eletromagnéticas, devemos blindar o aparelho interferente e ligar sua carcaça à terra.
GTO
GTO vem de Gate Turn-Off, sendo esse termo usado para designar SCRs que podem ser desligados por um sinal de comporta.
Explicamos a seguir melhor como ele funciona: uma das dificuldades que os projetistas encontram ao utilizar SCRs em seus projetos é que esses componentes, uma vez disparados, assim se mantêm mesmo depois que o sinal de comporta tenha desaparecido.
Esse comportamento deve-se justamente à sua estrutura equivalente a dois transistores que se realimentam, conforme mostra a figura 32.
Conforme podemos ver, não adianta aplicar uma corrente negativa na comporta pois ela simplesmente o transistor equivalente de realimentação de modo a impedir que ele continue conduzindo.
O único meio de se desligar esse circuito é fazendo com que a corrente principal caia abaixo do valor de manutenção.
No caso de um GTO, o que se faz e estruturar o componente de uma forma diferente de um SCR comum, conforme mostra a figura 33.
Essa estrutura leva a um componente que apresenta as seguintes diferenças em relação a um SCR comum:
As interconexões das camadas de controle são mais finas, minimizando a distância entre a porta e o centro das regiões catódicas e aumentando assim o perímetro das regiões da porta.
Existem regiões n- que curtocircuitam as regiões anódicas de modo a acelerar o desligamento.
A tensão de ruptura inversa é muito baixa
Como se trata de um tipo especial de SCR o seu símbolo é semelhante ao do SCR comum, apenas observando-se a indicação de que ele pode ser desligado por um sinal aplicado à comporta, conforme mostra a figura 34.
O disparo de um GTO, assim como seu desligamento, deve ser feito com circuitos e formas de onda apropriadas.
Para disparar o GTO é preciso aplicar um sinal que tenha uma subida rápida, ou seja, um di/dt elevado.
Se o sinal for lento, apenas uma parte do dispositivo entra em condução, com uma distribuição desigual da energia e consequentemente do calor gerado, o que pode causar a queima do dispositivo.
Uma vez que a condução esteja estabelecida, deixa-se uma corrente Igon de manutenção circulando, para se assegurar que o dispositivo não desligue espontaneamente.
Para levar o GTO ao corte, deve ser aplicada uma corrente Ig elevada, cuja intensidade depende das características do dispositivo.
Essa corrente é interrompida tão logo o dispositivo desligue.
No entanto, deve ser mantida por algum tempo uma tensão negativa na comporta, para se evitar que o GTO venha a ligar de forma espontânea.
As especificações do GTO são semelhantes às dos SCRs comuns, apenas com a diferença de que temos uma corrente de disparo bilateral.
Índice Geral
Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência
Parte 7 - Tiristores – O Triac
