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Eletrônica Industrial
Aula  06:  Diodo de 4 Camadas Unilateral - Retificador Controlado de Si (SCR)

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). A  figura a seguir mostra a estrutura, simbolo e curva caracteristica.




          ( a )                           ( b )                                                                 ( c )
Figura 1 - 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  (UBK)  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 (UBO). Acima deste valor  o dispositivo dispara passando a conduzir, somente voltando a cortar quando  a tensão de anodo (corrente)  de anodo cair abaixo de um valor chamado de  tensão (corrente) de manutenção, UH (IH).
Qualquer mecanismo que provoque um aumento interno de corrente  pode disparar a estrutura de 4 camadas, dentre eles  temos:

Aumento de tensão, o proprio Diodo de 4 Camadas;
Injeção de corrente (SCR - Diodo controlado);
    
Incidencia de radiação luminosa (LASCR - Diodo controlado por luz);
Taxa de variação de tensão (dv/dt)  e aumento de temperatura, mecanismos indesejaveis.

Para  explicar o disparo da estrutura de 4 camadas é usado o modelo com dois transistores,  um NPN e outro PNP como na figura 2  a seguir.

Figura 2 - 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 concluí-se que, para baixos valores  de corrente (os dois transistores no 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 é por injeção de corrente e pode ocorrer com  valores de tensão de anodo bem abaixo da tensão de breakover.

 2.  Retificador Controlado de Silicio (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 )

Figura 3 -  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 IG = 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 (UBK ), o SCR será  destruído pelo efeito avalanche.

Figura 4 - SCR  polarizado  reversamente - Bloqueio reverso

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

Figura 5 - SCR polarizado diretamente - Bloqueio direto

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


Figura 6 -  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 (  0,5 V a 1,5 V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente)  cair abaixo de um  valor  chamado de tensão  (corrente)  de manutenção, UH (IH) cujo valor depende  do tipo de SCR Por exemplo,  o TIC106 tem IH@   0,5 mA  enquanto o TIC116 tem    IH @ 15 mA.   
Como  visto anteriormente, um diodo de 4 camadas pode ser representado por dois transistores  ligados com realimentação de um para o outro. Se for adicionado um terceiro eletrodo, a porta ou gate, pode ser  injetado corrente nesse terceiro terminal, 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 estrutura de 4 camadas, daí o nome  de Diodo Controlado de Si, para esse dispositivo. Obs: Não é possivel construir esse dispositivo com Germanio (Ge).



Figura 7 - Circuito equivalente para  o SCR

2.2.4. A Porta (Gate)
     Se  for injetado uma corrente na porta (gate), será  possível disparar o SCR com  tensões de anodo bem menores do que   UBO. 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 IG = 0 como vimos é chamada de  UBO, mas muitas vezes é designada de VDRM esta  informação muitas vezes vem codificada no corpo do SCR, por exemplo :  

 
TIC 106 Y - 30V
TIC  106 F - 50V
TIC  106 A - 100V
TIC  106 B - 200V
TIC 106 C -  300V
TIC 106 D - 400V    
                                                                                     
MCR 106 -1 - 30V
MCR 106 -2 - 60V
MCR 106 -3 - 100V
MCR 106 - 4 - 200V
MCR 106 - 5 - 300V
MCR 106 – 6 - 400V
Outra  informação importante é a máxima tensão reversa  que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown, é designada por VRRM, tipicamente é  da mesma ordem de VDRM. Os valores de corrente  também devem ser conhecidos, IT, 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 (qF). Por exempo, o TIC  106 pode conduzir  uma corrente  continua de até 5 A.
A  corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de A  no caso do TIC 106.

3.  Circuitos com SCR em CC
      Em  CC deve ser previsto circuito de reset após o SCR disparar. Na Figura 8a o disparo é feito pressionando momentaneamente a   chave S1, e o reset é feito pressionando momentaneamente S2. No circuito da Figura 8b,  o disparo é feito pressionando momentaneamente a   chave S4, e o reset é feito pressionando momentaneamente S3.  Observe que em um caso, o reset é feito fazendo UA=0 e no outro fazendo IA=0.



Figura 8 -  SCR  - Circuitos de disparo por CC

4. Experiência:  Diodo de 4 camadas e SCR -  Circuito equivalente  com transistores
4.1.  Abra o arquivo   ExpEN2_11  Diodo de 4 camadas e  SCR  circuito equivalente e identifique o circuito da Figura 9. Inicie a simulação e verifique o funcionamento atraves das chaves S1 (D no teclado) para disparar e S2 (R no teclado) para resetar.

Figura 9 - Circuito equivalente do SCR (Diodo Controlado) com transistore

4.2.Escreva suas conclusões.

5. Experiência:  SCR em CC - Disparo por CC  com carga CC
5.1.  Abra o arquivo ExpEN2_12  SCR com disparo em CC e carga CC   e identifique os circuitos da Figura 10. Inicie a simulação e verifique o funcionamento atraves das chaves S1 (D no teclado) para disparar e S2 (R no teclado) para resetar no circuito de reset fazendo UA=0. Repita o procedimento para o circuito de reset fazendo IA=0 usando as cheves S4 e S3.

                                                   ( a )                                                                                                    ( b )
Figura  10 - Circuito de disparo em CC com carga CC ( a ) Reset fazendo UA=0     ( b ) Reset fazendo IA=0

5.2. Escreva as suas conclusões.
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