Como funciona o SCR (ART1902)

 

O SCR ou Diodo Controlado de Silício é um dos componentes mais importantes nas aplicações em que esteja envolvido o contole de cargas de potência de altos valores a partir da rede de energia. Funcionando como um interruptor acionado eletronicamente ele facilmente supera seus equivalentes mecânicos, por sua velocidade, sensibilidade e capacidade de operar com tensäes e correntes elevadas. Não há limite para o número de aplicações práticas em que ele pode ser usado o que torna muito importante para todos conhecer um pouco de seu princípio de funcionamento, suas limitações e suas apicações principais. Neste artigo falamos de tudo isso. Partindo da estrutura do SCR e de seu princípio de funcionamento veremos também a maneira como são fabricados, circuitos de aplicação e muito mais.

O SCRs ou diodos controlados de silício podem funcionar como elementos de disparo de circuitos eletrônicos, como relês de estado sólido, como osciladores de alta potência, como controles de potência em circuitos de corrente alternada, circuitos inversores e em uma infinidade de aplicações em que outros semicondutores tais como transistores bipolares, transistores de efeito de campo de potência e diodos comuns não podem ser usados. Por que tudo isso ?

Os SCRs tem uma estrutura tal que manifesta propriedades elétricas que permitem que ele seja usado em todas estas aplicações. Assim, inicialmente podemos dizer que o que diferencia um SCR de outros componentes comuns tais como diodos retificadores comuns, e transistores é a sua estrutura que lhe confere propriedades bem definidas das quais passamos a falar a seguir.

 

O QUE É UM SCR

Se tivermos dois pedaços de materiais semicondutores unidos, um do tipo P e outro do tipo N de modo que entre eles haja uma junção, a estrutura assim formada manifestar  propriedades bem definidas que caracterizam o que denominamos diodo semicondutor.

Esta estrutura se comporta no sentido de conduzir corrente intensamente quando polarizada no sentido direto e não conduzir praticamente a corrente oferecendo-lhe uma resistência muito alta, quando polarizada no sentido inverso, conforme sugere a figura 1.

 

 

Na figura 2 representamos as propriedades elétricas manifestadas por esta estrutura pelo que chamamos de curva característica do diodo.

 

 

Vemos que na região de polarização direta o diodo a partir de determinada tensão manifesta resistências muito baixas conduzindo intensamente a corrente, enquanto que na região de polarização inversa o diodo manifesta resistências muito altas não conduzindo praticamente a corrente até o instante em que é atingida a tensão de ruptura inversa do diodo ou tensão zener.

Neste momento o diodo também conduz a corrente no sentido inverso, mas para os diodos comuns isso acarreta sua destruição.

Esta característica de conduzir a corrente num sentido e bloquear em outro, de ter certos valores limites tanto para a circulação da corrente no sentido direto como no inverso é que determinam as possíveis aplicações dos diodos semicondutores na prática.

Existem portanto muitos tipos de diodos que tem estruturas estudadas de modo a aumentar os limites dados por estas características visando assim aplicações específicas conforme mostra a figura 3.

 

 

Os diodos retificadores, por exemplo devem ter superfícies de junção maiores que os diodos detectores já que devem suportar correntes mais intensas.

O próximo componente semiconductor a ter sua estrutura analisada é o transistor bipolar.

O transistor bipolar é formado por três pedaços de materiais semicondutores de tipos diferenetes alternados de modo a termos duas junções, conforme mostra a figura 4.

 

 

Esta estrutura apresenta propriedades elétricas bem definidas que podem ser dadas por uma família de curvas conforme o indicado na figura 5.

 

 

Para determinados valores da corrente de base, temos correntes definidas de coletor em função da tensão neste mesmo elemento.

Estas características permitem que o transistor seja usado como dispositivo amplificador de sinais, já  que uma pequena corrente aplicada a sua base fará circular uma corrente mais intensa em seu coletor. Variações da corrente de base podem portanto ser traduzidas por vaariações maiores da corrente de coletor.

Partindo então de um componente de 3 camadas de materiais semicondutores chegamos ao componente de 4 camadas que é justamente o SCR.

O SCR se enquadra portanto na família dos dispositivos denominados Tiristores ou seja, dispositivos destinados a comutação de alta velocidade.

Na figura 6 temos a estrutura de um SCR (diodo controlado de silício) em que 4 pedaços de materiais semicondutores formam uma estrutura de 4 camadas, de onde vem a denominação algumas vezes dada a estes dispositivos de "diodos de 4 camadas".

 

 

Na figura 7 temos o símbolo adotado para representar um SCR assim como a curva característica que o mesmo apresenta e por onde podemos analisar seu princípio de funcionamento.

 

 

As quatro camadas de materiais semicondutores que formam a estrutura do diodo controlado de silício equivalem na realidade a dois transistores, um PNP e outro NPN ligados de tal modo a formar uma chave regenerativa.

Como o princípio de funcionamento dos transistores ‚ mais conhecido de nossos leietores podemos partir deste circuito equivalente mostrado na figura 8 para explicar o princípio de funcionamento do SCR.

 

 

Como neste primeiro ítem estamos vendo apenas o que é um SCR, terminamos completando que o SCR ‚ então no fundo um retificador ou seja, um diodo, mas que possui um eletrodo a mais que permite que a corrente retificada seja controlada externamente.

Muito mais que um diodo o SCR ‚ portanto um dispositivo de comutação, porque pode ser ligado e desligado rapidamente a partir de sinais externos aplicados de maneira apropriada conforme veremos a seguir.

 

 

 

COMO FUNCIONAM OS SCRs

Conforme vimos no ítem anterior a estrutura do SCR se compara à de dois transistores ligados de modo a formar uma chave regenerativa. Veja o leitor que, se na realidade o SCR equivale a dois transistores porque representá-lo por um símbolo que muito mais nos lembra um diodo ?

O fato é que na realidade as características de condução obtidas com esta estrutura lembra muito mais os diodos do que propriamente os transistores. Em suma, mesmo podendo ter seu funcionamento equivalente ao de dois transistores, as características lembram muito mais os diodos comuns.

Conforme o leitor pode ver o SCR possui três terminais que recebem denominações espec¡ficas:

 

A para o anodo (anode)

C ou K para o catodo (cathode)

G para a comporta (gate)

 

Na estrutura equivalente formada por transistores, o anodo corresponde ao emissor do primeiro transistor que é um do tipo PNP, o catodo corresponde ao emissor do segundo transistor. A base do primeiro transistor está ligada ao coletor do segundo, enquanto que a base do segundo transistor está ligada ao coletor do primeiro.

O funcionamento deste circuito pode então ser explicado a partir da figura 9 da seguinte maneira:

 

 

 a) Ligando inicialmente a alimentação do circuito de modo que uma tensão positiva em relação ao catodo seja aplicada ao anodo, o SCR se comporta como um circuito aberto, não havendo condução apreciável de corrente, a não ser uma pequena fuga que normalmente ocorre pelas junções devido a agitação térmica dos átomos dos materiais semicondutores. uma pequena corrente que pode ser considerada desprezível circula entre a base do primeiro transistor (Q1) e o coletor do segundo (Q2) ao mesmo tempo que uma pequena corrente circula entre a base do segundo transistor (Q2) e o coletor do primeiro.

b) O resultado é que a corrente entre o anodo e o catodo do SCR não pode ser considerada como existente para efeitos práticos. O SCR estará  "Desligado". Uma lâmpada ligada em série com o SCR nestas condições permanecerá apagada, conforme sugere a figura 10.

 

 

c) Se agora for estabelecida uma pequena tensão positiva em relação ao catodo na comporta do SCR, fazendo com que uma corrente pequena circule entre a base do segundo transistor (Q2) e seu emissor, o SCR mudará de estado. Polarizando a junção deste transistor Q2 no sentido direto de condução (junção emissor-base) o transistor ter  também sua corrente de coletor aumentada numa proporção que depende do ganho deste mesmo transistor. Lembramos que a corrente de coletor será tantas vezes maior que a corrente de base quanto for o ganho do transistor. Ora, a corrente de coletor do segundo transistor (Q2) é justamente uma corrente que circula num sentido que polariza a junção emissor-base do primeiro transistor no sentido de também fazê-lo conduzir. Esta corrente de base consequentemente no primeiro transistor conforme mostra a figura 11.

 

 

 Mas, a corrente de coletor do primeiro transistor é justamente a corrente de base do segundo, o que significa qua agora volta o primeiro transistor a ser excitado num efeito de realimentação ou regeneração.

Isso significa que mesmo que a pequena corrente que tenha dado início ao processo ao ser aplicada na base do segundo transistor, tenha desaparecido, ele já  terá  dado início ao processo de realimentação que leva tanto um como outro transistor a terem suas correntes de coletor aumentadas numa proporção que mantém ambos conduzindo intensamente a corrente.

Assim, tanto um como outro transistor conduzindo a corrente, haverá a circulação de uma forte corrente principal pelo SCR que pode alimentar o circuito de carga. O SCR terá sido "ligado".

Veja o leitor que basta uma pequena corrente para dar início ao processo para que o SCR comute para o seu estado de plena condução e assim continue mesmo depois de cessada a corrente de comporta inicial.

Veja também os sentidos de circulação de todas as correntes:

A corrente de disparo deve circular no sentido de comporta para o catodo, vencendo no caso apenas a barreira de potencial existente numa única junção. Isso significa que para os SCRs comuns, a tensão que se precisa para vencer esta barreira de potencial é da ordem de 0,2 a 0,6 V (em alguns tipos pode ser um pouco maior chegando mesmo aos 1,2 V) e que a corrente mínima de deve circular nestas condições dependerá do ganho dos transistores "equivalentes" o que está diretamente condicionado ao tipo de SCR e à sua corrente máxima.

Tipos como o TIC106, MCR106, IR106, que são considerados SCRs de grande sensibilidade precisam de apenas 60 a 500 µA para serem disparados, enquanto que outros SCRs de menores sensibilidades precisam de correntes da ordem de 10 a 50 mA para serem disparados.

A corrente principal, que é a corrente que controla o circuito de carga circula do anodo para o catodo, o que nos leva a observar que os SCRs são dispositivos unilaterais ou seja, conduzem a corrente num único sentido.

Como a corrente que circula pelo SCR tem de vencer 3 junções semicondutoras para ir ao anodo para o catodo ocorre uma pequena queda de tensão neste componente que tem um valor típico entre 1 e 2 volts. Esta queda de tensão no SCR multiplicada pela intensidade da corrente que ele controla resultam na potência que o mesmo deverá dissipar em forma de calor.

Considerando-se no entanto que as correntes normalmente são grandes e que as tensões são muito maiores nas aplicações práticas, da ordem de 110 ou 220 V, a potência perdida num SCR é extremamente pequena. Por exemplo, no controle de uma carga de 440 Watts o que pode ser facilmente dissipado com um pequeno irradiador conforme mostrado na figura 12.

 

 

 

Um ponto importante que deve ser levado ao conhecimento dos leitores é que o equivalente transistorizado do SCR não pode funcionar na prática em vista de suas limitações de corrente, a não ser em casos especiais.

Veja que a corrente principal que circula pelo SCR é formada pela soma de duas correntes de base, e nos transistores comuns esta corrente está limitada a valores muito baixos. Isso quer dizer que se fizermos um SCR improvisado usando dois transistores, a capacidade de corrente deste SCR não ser  dada pela corrente máxima que cada um pode permitir circulando por seus coletores, mas sim pela sua corrente máxima de base que em geral é muito menor.

 Os SRCs são estruturados justamente de modo a admitir elevadas correntes principais que podem ir desde fração de ampère até mais de 1 000 ampères para os tipos industriais, de grandes dimensões conforme mostramos na figura 13.

 

 

c) Voltando ao nosso SCR disparado que agora conduz intensamente a corrente mesmo depois de desaparecer o sinal de excitação temos um problema a ser analisado: como desligá-lo?

Temos aqui diversas possibilidades que serão analisadas sempre levando em conta o equivalente "transistorizado" deste componente.

Uma vez que o SCR tenha sido disparado, ocorre uma realimentação interna conforme vemos, que mantém a corrente máxima entre seu anodo e seu catodo, mesmo depois de desaparecida a corrente inicial de disparo pela comporta.

Para que a realimentação ocorra numa intensidade que mantenha o SCR em plena condução ‚ preciso no entanto que a corrente principal tenha um valor mínimo denominado "corrrente de manutenção" (em inglês usa-se o termo “holding current”). Se a corrente principal cair abaixo deste valor, a realimentação não mais será suficiente para manter o SCR em plena condução e ele desligará.

Para um SCR da série 106 esta corrente de manutenção (IH) tem seu valor típico entre 5 e 8 mA o que significa que esta é a corrente mínima que o circuito de carga deve "puxar" para que o SCR funcione apropriadamente confore mostram as curvas da figura 14.

 

 

 

 Um dos meios que se tem para desligar um SCR então é reduzir a corrente principal até que ela caia abaixo do valor indicado, quando ele então comuta para o estado de não condução.

Uma outra maneira de se fazer o SCR "desligar" consiste em reduzir a zero momentaneamente a tensão entre o anodo e o catodo de modo que a corrente principal caindo abaixo do valor de manutenção venha provocar o desligamento do semicondutor levando-o ao seu estado de não condução.

Isso pode ser feito de diversas maneiras, como por exemplo por meio de um interruptor de pressão do tipo normalmente aberto (NA) ligado em paralelo com o SCR curto-circutando-o momentaneamente, ou então por meio de um interruptor de pressão do tipo normalmente fechado ligado em série com a alimentação, desligando-o momentaneamente. Estes procedimentos são mostrados na figura 15.

 

 

 É claro que, este processo de "desligar o SCR só é necessário nos casos da corrente principal ser contínua pura. Se esta corrente for contínua pulsante o que acontece quando o mesmo é alimentado pela rede de corrente alternada e só ocorre a condução dos semiciclos num sentido, existem os instantes entre dois semiciclos sucessivos em que automaticamente a tensão e portanto a corrente, caem a zero, conforme mostra a figura 16.

 

 

 

Nesta figura vemos que tanto no caso da alimentação direta do SCR por corrente alternada em que um dos semiciclos é totalmente cortado, como no caso da retificação por onda completa, em que os dois semiciclos estão presentes porém forçando a circulação da corrente no mesmo sentido, existem os instantes em que a tensão se anula e que portanto o SCR, se estiver conduzindo, desliga.

Podemos então disparar um SCR em qualquer ponto de um semiciclo da alimentação e ele automaticamente desligará no final deste semiciclo quando a tensão entre seu anodo e seu catodo cair a zero.

Este comportamento do SCR nos circuitos de corrente alternada tornam-no ideal para as aplicações em que ele atua como controle de potência.

Na sua comporta é ligado então um circuito de retardo, normalmente um resistor e um capacitor de tal modo que a tensão de disparo na sua comporta só atinge o valor necessário do disparo do SCR depois de decorrido algum tempo após o início de um semiciclo.

Isso quer dizer que podemos retardar o disparo do SCR para que ele ocorra em qualquer ponto desejado do semiciclo de alimentação. Se o disparo ocorrer no início do semiciclo, este será totalmente conduzido pelo SCR e consequentemente pelo circuito de carga que então funcionará com sua potência máxima.

Se o SCR for disparado no final do semiciclo só haverá tempo para uma pequena parcela do mesmo seja conduzida a consequentemente a carga receberá o mínimo de potência conforme mostrado na figura 17.

 

 

 

 

Usando um resistor variável e um capacitor de valor fixo pode-se controlar a potência aplicada no circuito de carga entre um valor mínimo que se aproxima de 0 até um valor máximo que se situa perto de 48% para os circuitos de meia onda e 95% para os circuitos de onda completa.

Dispositivos de comutação rápida ligados no circuito de disparo ajudam o SCR a disparar nos instantes exatos desejados melhorando com isso o funcionamento dos controles. Dos dispositivos mais comuns usados com esta finalidade citamos os SUS (Silicon Unilateral Switch) cujo aspecto e símbolo são mostrados na figura 18.

 

 

 

 

Este semicondutor dispara somente quando a tensão no capacitor atinge aproximadamente 7,8 V de modo que, com este valor de tensão mais alta aplicada à comporta do SCR, seu disparo possa ocorrer numa velocidade maior.

É claro que o SCR não tem só suas vantagens. Na realidade, alguns problemas que ocorrem quando muitos usam SCRs e estes não funcionam como se deve são justamente causados por algumas "deficiências" naturais que este, como qualquer outro componente eletrônico possui.

Uma das "deficiências" que pode ser citada é a pequena capacitância que existe entre as junções do SCR, ou seja, suas 4 camadas que permite que pulsos de alta tensão ou transientes de curta duração que apareçam entre o anodo e o catodo possam chegar até o eletrodo de comporta com intensidade suficiente para provocar seu disparo.

Este problema no entanto, pode ser normalmente eliminado pela ligação entre o anodo e o catodo do SCR, conforme mostra a figura 19 de um resistor e de um capacitor de valor apropriados.

 

 

 

Outro problema que deve ser levado em conta é que, o SCR não precisa ser obrigatoriamente disparado por um sinal em sua comporta. Se esta for devidamente polarizada de modo que, com uma determinada tensão entre o anodo e o catodo a corrente de comporta fique no limiar do disparo, ou seja, um pouco abaixo do necessário para que isso ocorra, quando houver um pequeno acréscimo na tensão de anodo, o SCR será levado à sua plena condução.

O que ocorre no caso é que, aumentando a tensão de anodo automaticamente aumenta a corrente de fuga que então se soma a corrente de disparo do componente levando-o à condução, conforme ilustra a figura 20.

 

 

Este método de disparo pode ser útil para fazer o SCR "oscilar" numa configuração muito semelhante ao conhecido oscilador de relaxação com lâmpada neon ou com transistor unijunção.

Na figura 21 temos um circuito que o leitor pode realizar experimentalmente usando um MCR106 ou TIC106. Para o TIC106 pode ser necessário ligar ainda entre a comporta e a terra um resistor de 100 k Ω.

 

 

Quando o capacitor se carrega através do resistor, a tensão de anodo no SCR aumenta até o ponto em que ela atinge um valor suficiente para provocar o disparo do mesmo. Este ponto de disparo é justamente determinado pela polarização de sua comporta. Utilizando um resistor variável na comporta podemos portanto ajustá-lo de modo a influir na frequência deste interessante oscilador com SCR.

 

 

COMO USAR O SCR

Em vista do que analisamos verificamos que os SCRs tem condições bem definidas de trabalho as quais devem ser obedecidas em qualquer uma das suas aplicações práticas. Desrespeitar qualquer uma de suas condições limites implicará não só no não funcionamento do circuito como também na própria queima dos componentes envolvidos.

O primeiro ponto a ser analaisado no uso de um SCR refere-se à polaridade das tensões que nele sejam aplicadas e consequentemente nos sentidos de circulação das correnetes em seus eletrodos.

Na figura 22 temos então os sinais das tensões que devem ser aplicadas no SCR para que se obtenha o seu disparo e a condução plena. Aqui o leitor deve tomar o seguinte cuidado para não causar a queima do seu SCR.

 

 

 

Para disparar o SCR ‚ preciso que o anodo esteja positivo em relação ao catodo, e que o sinal de disparo tenha uma tensão mínima de acordo com as especificações deste componente, positiva em relação ao catodo e que force a circulação da corrente mínima que realimentando os "transistores" equivalentes levem-nos à comutação.

Se o anodo estiver negativo em relação ao catodo, o que pode ocorrer em metade dos semiciclos da alimentação de corrente alternada, o SCR não conduzirá já que, como vimos trata-se de um dispositivo unilateral, ou seja, em que a corrente circula num único sentido.

No entanto, o SCR no instante em que estiver com o anodo negativo em relação ao catodo nãoo pode ser forçado a disparar, pois se nestas condições lhe for aplicado um pulso de disparo tamb‚m negativo, o que acontecerá ser  uma ruptura das junções do semicondutor que então se queimar.

Assim, como regra importante para o uso de um SCR está a de nunca se aplicar um pulso negativo na comporta do mesmo quando o anodo se encontrar negativo em relação ao catodo, ou seja, quando ele estiver polarizado inversamente conforme mostra a figura 23.

 

 

 

 

Como meio de evitar que isso aconteça acidentalmente ou mesmo em vista do princípio de funcionamento do circuito, costuma-se ligar na comporta do SCR um diodo comum de tal modo que só pulsos positivos de disparo possam ser levados ao mesmo, evitando-se com isso sua possível queima nas condições indicadas.

O diodo aparecerá portanto na comporta do SCR quase que obrigatoriamente nos circuitos de corrente alternada conforme mostra a figura 24.

 

 

 

 

O segundo ponto a ser analisado refere-se as especificações dos SCRs que indicam suas condições mínimas e máximas de funcionanemto. Vejamos como interpretar os manuais e saber o que estas especificações significam:

O primeiro valor importante é o da tensão máxima que pode aparecer entre o anodo e o catodo do SCR quando ele se encontra desligado. Este valor é dado pela sigla Vdrm e pode ser analisado da seguinte maneira: trata-se da tensão máxima do circuito em que o SCR operar.

Nos circuitos de corrente alternada, deve-se sempre cuidar para que esta tensão seja superior ao valor do pico da rede. Por exemplo, na rede de 110 V (127 V) em que temos uma tensão de pico de aproximadamente 150V devemos usar um SCR com um Vdrm de 200 V.

Se a tensão superar este valor, mesmo que por um curto intervalo de tempo, como ocorre no caso de um transiente, o SCR conduzirá a corrente, disparando.

Este valor limita portanto a tensão de alimentação do circuito em que o SCR deve ser usado, ou em linguagem mais simples significa "quanto aguenta de tensão o SCR".

A próxima especificação importante do SCR é a sua corrente máxima no sentido direto (ID) que é justamente a máxima corrente que o SCR pode conduzir para o circuito de carga quando for ligado.

Nos circuitos de corrente contínua em que temos uma corrente deste tipo seu valor é dado em termos diretos, mas nos circuitos de corrrente alternada deve-se sempre considerar o valor RMS.

Na escolha de um SCR para uma aplicação pá tica deve-se certificar-se de que ele suporta a corrente que a carga exige.

Temos a seguir a corrente que dispara o SCR que ‚ indicada pela sigla Igt. Esta deve ser a corrente que circula entre a comporta do SCR e seu catodo que faz o SCR disparar. Por esta corrente podemos ver a "sensibilidade" do SCR, ou seja, quanto menor for esta corrente, mais sensível ao disparo é o SCR. Para o TIC106, C106, MCR106, por exemplo esta corrente está na faixa dos 20 aos 600 µA.

Falamos agora da tensão de comporta dada por Vgt que é a tensão que deve ser estabelecida entre a comporta e o catodo para fazer circular a corrente de disparo. Esta corrente está normalmente situada entre 0,2 e 1,2 V qualquer que seja o SCR considerado.

Finalmente temos a corrente de manutenção IH que é a menor corrente que o SCR pode controlar sem desligar, conforme já foi explicado no decorrer do artigo.