Cap5 tiristores

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<ul><li> 1. Fundamentos de Electrnica Teoria Cap.5 - Tiristores Jorge Manuel Torres Pereira IST-2010 </li></ul><p> 2. NDICE CAP. 5 TIRISTORES Pg. 5.1 Introduo ....................................................................................................................... 5.1 5.2 O dodo de quatro camadas ........................................................................................... 5.2 5.3 O rectificador controlado de silcio - SCR .................................................................... 5.8 5.4 O TRIAC ....................................................................................................................... 5.11 5.5 O DIAC .......................................................................................................................... 5.12 5.6 Transistores com passagem da conduo ao corte comandado pela porta GTO . 5.14 5.7 Aspectos dinmicos ....................................................................................................... 5.16 5.7.1 Tempo para passagem conduo devido a impulso na porta ................ 5.16 5.7.2 Tempo para passagem da conduo ao corte ............................................ 5.17 5.7.3 dUA/dt mximo ............................................................................................. 5.18 5.8 Influncia da temperatura ........................................................................................... 5.19 5.9 Circuito de aplicao .................................................................................................... 5.19 3. TIRISTORES 5.1. Introduo Tiristores o nome genrico dos dispositivos que apresentam no primeiro quadrante do plano I (U), com os sentidos de referncia adoptados para o dodo de juno, a caracterstica estacionria da Fig. 5.1. I E II I B U Ub0 IL IH C D Fig. 5.1 Caracterstica estacionria de um tiristor. A caracterstica tem essencialmente duas zonas. Na zona I, as correntes so baixas podendo as tenses ser elevadas. Diz-se que o tiristor est bloqueado. Na zona II as tenses so baixas podendo as correntes ser elevadas. Diz-se que o tiristor est em conduo. A transio I II instvel, isto , no existe um ponto de funcionamento estacionrio nesta zona. Para evidenciar este facto a transio B C representada a trao interrompido. A tenso bU para a qual se d a transio I II chama-se tenso de limiar (ingls break over) ou de bscula. A corrente LI , que inicia o estado de conduo, a corrente de limiar (ingls latch-current). Uma vez na zona II, com o tiristor em conduo, se subirmos a tenso U, caminha-se no sentido C E da caracterstica. As correntes so cada vez mais elevadas e no possvel, por esta via, regressar ao troo I da caracterstica. Quando se caminha no sentido E C a transio da zona II para a zona I s possvel se se diminuir I at corrente HI , a corrente de manuteno (em ingls Holding current), menor que a corrente LI . 4. TIRISTORES5.2 Vimos assim que as transies de I para II e de II para I se do segundo percursos diferentes, havendo portanto histerese. 5.2. O dodo de quatro camadas Na Fig. 5.2 est representada a estrutura do dispositivo mais elementar da famlia dos tiristores, designado por dodo de quatro camadas. A estrutura constituida por quatro camadas semicondutoras, na maior parte dos casos de Si, alternadamente p e n, formando as trs junes 1 2,J J e 3J . Quando a tenso U positiva e bU U&lt; , as junes 1J e 3J esto polarizadas directamente e 2J inversamente. Deste modo a juno 2J no s suporta a quase totalidade da tenso U aplicada mas tambm responsvel pela limitao da corrente I sua corrente inversa. Quando cresce o valor de U, a largura da regio de transio de 2J , polarizada inversamente, tambm cresce. Para que a largura da regio de transio de 2J no se estenda at 1J e 3J , isto , para evitar o atravessamento das regies n e p adjacentes, os comprimentos destas regies, 1l e 2l na figura, devero ser maiores do que os das bases dos transstor comuns. (1)p (2)n (3)p (4)n I 1l 2l U A K 1J 2J 3J Fig. 5.2 Representao esquemtica dum dodo de quatro camadas. Quando a tenso U negativa, as junes 1J e 3J esto polarizadas inversamente e a juno 2J directamente. At disrupo de uma das junes, 1J ou 3J , a corrente limitada pela juno que tem menor corrente inversa. Se a tenso U for suficientemente negativa d-se a disrupo logo que for atingida a maior das tenses de disrupo de 1J ou 3J . A 5. TIRISTORES 5.3 caracterstica do dispositivo no terceiro quadrante est representada na Fig. 5.3. Um perfil tpico de impurezas para o dodo de quatro camadas est esquematizado na Fig. 5.4. Na prtica, na zona (2), 2dN decresce com x. I U disrU Fig. 5.3 Caracterstica I(U) dum dodo de quatro camadas no 3 quadrante. 1024 1024 1022 1020 (1) (2) (3) (4) 0 x 50 m 150 m 50 m30 m 1aN 1l 2l ( )3 , md aN N 2dN Fig. 5.4 Perfil tpico de impurezas para um dodo de quatro camadas. Em equilbrio termodinmico, o valor mximo do campo numa juno abrupta , na aproximao de empobrecimento total (ver juno p-n), 0 0 2 C d a d a qV N N E N N = + (5.1) Para 1J , sendo 1 2a dN N 6. TIRISTORES5.4 01 01 2 2 C d qV E N (5.2) Para 3J , onde 4 3d aN N 03 03 3 2 C a qV E N (5.3) 01CV da ordem de 03CV mas 3 2a dN N&gt; pelo que 03 01E E&gt; . A entrada em disrupo d-se para um campo E crtico, o mesmo para as duas junes, que resulta do acrscimo do campo de equilbrio termodinmico, 0E , devido tenso de polarizao inversa. As expresses anteriores so ainda vlidas desde que se substitua 0CV por ( )0 0CV U U &lt; . Dado que 03 01E E&gt; a juno 3J entra em disrupo primeiro. Isto , a juno 1J que estabelece o valor da tenso de disrupo. O aspecto mais delicado do comportamento dos tiristores a transio da zona I para a zona II, Fig. 5.1. Para um tratamento qualitativo iremos substituir o tiristor por um modelo de dois transstores, Fig. 5.5. A K IA J1 J2 J3 p (1) p (3) n (2) A IE1 IB1 IC1 IB2 IC2 IE2 UC1 UC2 UE1 K UC3 (a) (b) p (3) n (2) n (4) 2J U U Fig. 5.5 Modelo dos dois transstores para o dodo de quatro camadas.. O modelo dos dois transstores, embora facilite a anlise , no de facto equivalente ao dodo de quatro camadas ou a outros tiristores. Assim, se ligssemos dois transstores como 7. TIRISTORES 5.5 na Fig. 5.5 (b), ficariam ambos na zona de saturao, semelhante zona II da Fig. 5.1, no se detectando a passagem I II . Sem entrar em pormenores isto deve-se a que quer o transstor npn quer pnp tm 2 1F Fe muito maiores do que as estruturas correspondentes do tiristor. Apesar das zonas (1) e (4) terem caractersticas semelhantes a emissores, de buracos e electres respectivamente, no s as larguras 1 2el l das bases so maiores do que nos transstores usuais, e portanto com factores de transporte menores, como as prprias eficincias como emissores so mais baixas. Da Fig. 5.5 (b), considerando que ambos os transstores se encontram na zona activa directa quando o tiristor est no estado bloqueado directo, zona I, com C TU u , pode escrever-se 2 2 2 02C F E CBI I I= (5.4) 1 1 1 01C F E CBI I I= (5.5) Por sua vez 1 1 1 1 1 01 1E C B F E CB BI I I I I I= = + (5.6) Como 1 2B CI I= , quando se substitui (5.4) em (5.6) obtm-se 1 1 1 01 2 2 02E F E CB F E CBI I I I I= + + + (5.7) Sendo 1 2E EI I I= = (5.8) tira-se de (5.7) ( ) 01 02 1 21 CB CB F F I I I + = + (5.9) Recordemos que, em especial para o Silcio, os crescem com a corrente para correntes da ordem dos nA , i.e., da ordem das correntes inversas das junes. Assim, para correntes baixas, 1 2F F + menor que 1. Quando cresce a corrente I, e portanto 1 2F F + , o denominador de (5.9) tende para zero. Isto no significa que a corrente tende para infinito mas simplesmente que a hiptese C TU u que esteve na base de (5.9), deixa de se verificar. No modelo de dois transstores, estes ficariam saturados, portanto com ambas as junes polarizadas no sentido directo, correspondendo a U pequeno. So aspectos complementares, que no foram tidos em conta na reduo de (5.9), a 8. TIRISTORES5.6 corrente de gerao na juno 2J , polarizada inversamente, eventualmente acompanhada de multiplicao por avalanche. Uma estrutura com propriedades mais prximas das do tiristor real a que inclui uma resistncia R em paralelo com a juno emissora do transstor 2T , de acordo com a Fig. 5.6. Esta resistncia simplesmente obtida estendendo a metalizao do ctodo para a regio da base do transstor T2. IR IB2 IC I IC1 IE2 UC T2 UE K R Fig. 5.6 Modelo dos dois transitores para um dodo de quatro camadas com resistncia entre base e emissor do transstor n-p-n. O efeito de R pode ser mais facilmente compreendido se se analisar o circuito da Fig. 5.7 que envolve a resistncia R em paralelo com o dodo. I IR ID R UD Fig. 5.7 Circuito que permite estudar a influncia de R no modelo de dois transstores. Do circuito tira-se: ( )/ 1 /D TU u D R is DI I I I e U R= + = + (5.10) 9. TIRISTORES 5.7 A relao ( )DI U expressa por (5.10) est representada na Fig. 5.8, onde vemos que medida que DU , e portanto I, crescem, o peso de RI cada vez menor. I DI RI I DU Fig. 5.8 Caracterstica ( )DI U para o circuito da Fig. 5.7. Tambm para o caso da Fig. 5.6 se passa o mesmo. Quando I cresce, RI tem um papel cada vez menor quando comparado com 2EI . Sendo 2 2 2C F EI I= a relao 2 /CI I cresce mais rapidamente do que 2F . Tudo se passa como se 2 ,C F FI I = crescendo com I. Analiticamente, com C TU u ( )2 2 2 /C F E F EI I I U R= = (5.11) Da segunda equao de Ebers-Moll desprezando CSI ( )/ 2 1E TU u C F ESI I e+ que com E TU u conduz a ( )( )2ln /E T C F ESU u I I (5.12) Substituindo (5.12) em (5.11) ( )( )( )2 2/ )ln /C F T C F ESI I u R I I= (5.13) donde 10. TIRISTORES5.8 ( ) ( )( )( )2 2 21/ / ln /F C F T C F ESI I u R I I= + (5.14) que est representada na Fig. 5.9 I ( )CI I 2 C F I CI 2 2 ln CF T F ES I U R I Fig. 5.9 Anlise grfica do efeito de R na corrente I. Confirma-se que I cresce com CI de forma sobre-linear. Para uma dada corrente I no circuito a corrente que percorre o transstor T2 menor quando existe a resistncia R. Deste modo os valores de F2 no sobem to rapidamente com a corrente I o que permite a obteno de tenses de bsculas maiores. A maioria dos tiristores possuem esta resistncia R para acentuar o referido efeito bem como para control-lo. 5.3. O Rectificador Controlado de Silcio - SCR O rectificador controlado de Silcio, tambm designado por SCR, em ingls Silicon Controlled Rectifier, difere da estrutura da Fig 5.1 pela presena de um elctrodo de porta, G, Fig. 5.10. O elctrodo de porta tem como funo comandar unicamente a tenso de limiar bU , que determina a passagem do estado bloqueado ao de conduo, Fig.5.11. No pode comandar a passagem do estado de conduo ao bloqueado, transio II I na Fig.5.11. 11. TIRISTORES 5.9 p n p n AI AU A K 1J 2J 3J GI G KI A K KI AI GIAU G (a) A K KI AI GI AU G (b)GU Fig. 5.10 Representao esquemtica do rectificador controlado de Silcio (a) e do seu smbolo elctrico (b) Na Fig. 5.11 representam-se as caractersticas estacionrias do SCR para vrios valores de GI . Uma corrente de porta positiva diminui a tenso de bscula e uma corrente de porta negativa aumenta a tenso de bscula. Nestes dispositivos o mecanismo subjante transio bloqueado para conduo permite a utilizao de impulsos de corrente de porta de durao bastante curta porque, depois de se ter completado a transio, o dispositivo se mantm na regio de conduo mesmo que se remova a corrente de porta. Na prtica tambm se verifica que, qualquer que seja o valor da tenso aplicada ao dispositivo, o impulso de corrente de porta positivo garante sempre a passagem do estado bloqueado ao de conduo. IA UAUb3Ub2Ub1 IG&gt;0 IG=0 IG , o mesmo valor de 2EI atingido com menor 1EI . Por sua vez h toda a vantagem em que 2F seja elevado para que seja grande a influncia de GI . Nesse sentido o SCR fabricado de modo a ter-se 2 1F F &gt; . A corrente de porta GI assim muito eficiente enquanto C TU u , visto que aumenta 2 2 2B C F BI e I I . O mesmo no acontece durante a conduo franca (zona II) visto que ( )/ 0 1C TU u C F B CEI I I e= + dominando a segunda parcela porque 0CU &gt; . Isto justifica porque no se pode utilizar o elctrodo de porta para passar da conduo ao corte nos SCR. 13. TIRISTORES 5.11 5.4. O TRIAC A estrutura do TRIAC est representada, de forma esquemtica na Fig. 5.13. Uma compreenso total do funcionamento do dispositivo obrigaria ao estudo de uma estrutura tridimensional. Note-se que os trs elctrodos A, B e G tm todos, acesso simultneo a zonas p e n. Assim, entre os terminais A e B existe sempre o transstor pnp formado pelas zonas (2), (3) e (4). Em paralelo com este existem os dodos de quatro camadas de A para B formado por (2), (3), (4), (6) e de B para A por (4), (3), (2) e (1). A existncia deste paralelo torna importantes os aspectos transversais. (1)n (3)n (2)p (4)p (5)n (6)n I A G B GBU ABU A G B (a) (b) Fig. 5.13 Representao esquemtica dum TRIAC (a) e respectivo smbolo elctrico. A caracterstica aos terminais est representada na Fig. 5.14 e semelhante que se obtem para dois SCR colocados em antiparalelo. A tenso de bscula 1bU relativa ao 1 quadrante pode ser reduzida com um impulso na porta G e 0GBU &gt; . A tenso de bscula 2bU relativa ao 3 quadrante pode ser reduzida com 0GBU &lt; . 14. TIRISTORES5.12 I Ub1 Ub2 UAB 1 Quadrante 3 Quadrante Fig. 5.14 Caracterstica estacionrio dum TRIAC. S a situao em que 0 0AB GBU e U&gt; &gt; que semelhante ao funcionamento do SCR, visto que a porta G tem acesso zona (4) vizinha do ctodo (6). Para 0ABU &lt; , o ter GBU negativo e portanto a juno ( ) ( )4 5p n directamente polarizada facilita o encaminhamento das linhas de corrente para a juno ( ) ( )4 3p n . Trata-se de um efeito transversal que afecta o comportamento longitudinal. Saliente-se que estender a metalizao do elctrodo B zona (4)p cria um caminho atravs desta zona, entre G e B. O efeito semelhante ao de ter uma resistncia em paralelo com a juno (4) (6)p n . J vimos qual a influncia desta resistncia no modelo de dois transstores. 5.5. O DIAC A estrutura de princpio do DIAC a da Fig. 5.15, semelhante a um TBJ sem terminal de base. H contudo outras diferenas importantes entre o DIAC e o TBJ comum nomeadamente: regio n mais larga e com maior resistividade que no TBJ e zonas p com concentraes de aceitadores iguais, o que permite um comportamento simtrico do dispositivo. 15. TIRISTORES 5.13 p n p I U (a) (b) Fig. 5.15 Representao esquemtica do DIAC (a) e respectivo smbolo (b). A caracterstica a da Fig. 5.16. Note-se que no h descontinuidade entre as zonas I e II e a zona II apresenta resistncia diferencial negativa, isto , / 0dU dI &lt; . Contrariamente aos TBJ usuais a regio da base n possui uma resistncia bastante elevada. Deste modo, na zona I, uma parte aprecivel da tenso U deve-se queda de tenso RI nesta regio. Ao atingir a tenso LU , a juno polarizada inversamente entra em disrupo por multiplicao em avalanche. A injeco de portadores na base faz baixar a resistncia desta, e d origem mobilidade diferencial negativa caracterstica da zona II. O DIAC u...</p>