Eletrônica Industrial  
Aula06: Diodo de 4 Camadas Unilateral - SCR

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1. DIODO DE QUATRO CAMADAS UNILATERAL

O estudo dos tiristores deve começar pelo dispositivo que origina toda a familia, o diodode  quatro camadas ou diodo Shockley ( não confundir com o diodo Schottky, diodo com duas camadas e usado para altas frequencias). As  figuras a seguir mostram a estrutura, simbolo e curva caracteristica.

        ( a )                                                     ( b )                                                     ( c )

Fig1: 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 (U_BK) o  diodo será destruído. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que um valor chamado de  tensão de breakover (U_BO). Acima deste valor o dispositivo dispara passando a conduzir, somente voltando a cortar quando a tensão (corrente)  de anodo cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, U_H (I_H). 

Qualquer mecanismo que provoque um aumento interno de corrente pode disparar a estrutura de 4 camadas, dentre eles  temos:

Aumento de temperatura

Incidencia de radiação luminosa (LASCR)

Taxa de variação de tensão (dv/dt)

Injeção de corrente (SCR)

Para explicar o disparo da estrutura de 4 camadas usamos o modelo com dois transistores, um NPN e outro PNP como na figura a seguir.

Fig2: 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:

desta expressão concluímos que, para baixos valores de corrente (corte) como os valores dos ganhos são tambem    baixos,  então a corrente de anodo tem valor próximo da corrente de fuga

 Quando a tensão aplicada se aproxima da tensão de disparo, os valores dos ganhos aumentam. Quando a soma tende para 1 ocorre o disparo. Esse mecanismo de disparo é por tensão. Caso seja injetada uma corrente em um  terceiro terminal  o disparo pode ocorrer com valores de tensão bem abaixo da tensão de breakover.

2. RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO (SCR)

  2.1. INTRODUÇÃO

            Um SCR 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.

       ( a )                                  ( b )                                        ( c )

Fig3: SCR  ( a ) Estrutura de 4 camadas ( b )  Símbolo ( c ) Curva característica 

2.2. REGIÕES DE OPERAÇÃO:

O SCR tem três regiões de operação, consideradas a seguir, com I_G = 0 :

2.2.1. Bloqueio Reverso: O anodo é  negativo em relação ao catodo, nessas condições o SCR se comporta exatamente como um  diodo comum. Se a tensão reversa  aumentar além da da tensão de breakdown (U_BK ), o SCR será destruído pelo efeito avalanche.

Fig4: SCR  polarizado reversamente - Bloqueio reverso

2.2.2.  Bloqueio Direto: O anodo é positivo em relação ao catodo, mas a tensão não é suficiente para  disparar o SCR. Para  disparar o SCR com o gate aberto (I_G = 0 ) é necessário que a tensão de anodo atinja  um valor chamado de tensão de breakover (U_BO ). Se U_A for menor do que U_BO o SCR continuará cortado.

Fig5: SCR  polarizado diretamente mas cortado  - Bloqueio direto

2.2.3.  Condução (Disparo):  Quando a tensão de anodo atingir o valor  U_BO, 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 (0,5V a 2V).

Fig6: 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 ( 0,5V a 1,5V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo de um  valor chamado de tensão  (corrente) de manutenção, U_H (I_H) cujo valor depende do tipo de SCR (Por exemplo o TIC106 tem I_H@  0,5mA  enquanto o TIC116 tem   I_H @ 15mA.  

Como vimos anteriormente, um diodo de 4 camadas pode ser representado por dois transistores ligados com realimentação de um para o outro. Se adicionarmos um terceiro eletrodo, a porta, poderemos injetar corrente nesse eletrodo 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 estrutira de 4 camadas, daí o nome de Diodo controlado para esse dispositivo.

Fig07:  Circuito equivalente para o SCR

A Porta (Gate)

Se for injetado uma corrente na porta (gate), será  possível disparar o SCR com tensões de anodo bem menores do que  U_BO. 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.

            A tensão máxima  que pode ser aplicada entre  anodo e catodo no sentido direto com I_G = 0 como vimos é chamada de U_BO, mas muitas vezes é designada de V_DRM esta informação muitas vezes vem codificada no corpo do SCR, por exemplo :

Outra informação importante é a máxima tensão reversa que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown, é designada por V_RRM, tipicamente é da mesma ordem de V_DRM. Os valores de corrente também devem ser conhecidos, I_T, 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 (q_F). Por exempo, o TIC 106 pode conduzir  uma corrente continua de até 5A.

A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada I_GT e pode ser da ordem de mA no caso do TIC 106.

3. CIRCUITOS COM SCR EM CC.

Em CC deve ser previsto circuito de reset após o SCR disparar. No circuito a seguir a chave A é usada para disparar e a chave B para resetar o SCR.

Experiência 06:  Diodo de 4 Camadas - Circuito Equivalente com Transistores

1) Abra o arquivo ExpEI06 (MultiSIM2001)  e identifique o circuito a seguir.

2)     Para verificar o funcionamento do circuito use a chave D para disparar e a chave R para desligar o circuito.

3) Conclusões:

Experiência 07:  SCR em CC - Disparo por CC com Carga CC

1) Abra o arquivo ExpEI07 (MultiSIM2001)  e identifique o circuito a seguir. Inicialmente é importante que a chave L esteja aberta (chave geral).

2) Ligue o botão de simulação e verifique o funcionamento, através das chaves D e R (D1) e   A e B (D2).

3) Conclusões:

Experiência 08:  SCR em CC - Alarme

1) Abra o arquivo ExpEI08 (MultiSIM2001)  e identifique o circuito a seguir. Inicialmente é importante que a chave L esteja aberta (chave geral).

2) Ligue o botão de simulação e em seguida a chave L, e verifique o funcionamento através das chaves  R, A e B.

3) Conclusões:

Experiência 09:  SCR em CC - Biestavel 

1) Abra o arquivo ExpEI09 (MultiSIM2001)  e identifique o circuito a seguir.

2) Inicie a simulação e verifique o funcionamento co circuito através dos Push Bottom A e B.

3) Conclusões: