SCS
Aluno(a): Paula Alves Costa Carlos Joviano Disciplina: Eletrônica Analógica e de Potência Professor(a): Douglas Pedroso Turma: Mecatrônica 2A Data de Entrega: 19/11/2009
Belo Horizonte, MG Novembro, 2009
OBJETIVOS Tendo em vista uma carga horária restrita da disciplina de Eletrônica Analógica e de Potência, não é possível o aprendizado do funcionamento de todos os dispositivos eletrônicos, este trabalho estará sendo realizado com o objetivo de ampliar os conhecimentos dos alunos da turma do segundo ano de Mecatrônica. Para que vários dispositivos sejam apresentados, alguns temas foram divididos entre os alunos, tendo nossa dupla o objetivo de explicar o funcionamento do SCS.
INTRODUÇÃO Para a realização deste trabalho final da disciplina de Eletrônica Analógica e de Potência, a turma foi dividida em duplas, cada uma com um tema. Como o objetivo é ampliar os conhecimentos de todos os alunos, deverá haver uma breve apresentação dos trabalhos, a fim de compartilhar os resultados com a turma. Anteriormente a isso, o trabalho escrito deve ser feito, entregue impresso e enviado ao correio eletrônico do professor. Para que o conteúdo seja bem exposto, o trabalho deve conter a simbologia, o princípio de funcionamento, estrutura semicondutora e aplicações, além de um datasheet de um dispositivo.
METODOLOGIA Por se tratar de um trabalho em dupla, foi decidido que cada um dos integrantes deveria fazer pesquisas individuais, e depois unir os resultados. Por se tratar de um dispositivo pouco utilizado, as fontes encontradas são repetitivas escassas, tendo sido difícil a realização do trabalho. Há uma grande preocupação em expor os resultados de forma clara, de modo que haja fácil entendimento. Para tal, será feito uso de várias figuras, para ilustrar o conteúdo apresentado. Para melhor compreensão do funcionamento do dispositivo, haverá uma análise relacionando o SCS ao SCR, levando em consideração o fato de este último possuir uma extensa gama de aplicações, sendo amplamente conhecido. Por último, uma conclusão, contendo as observações finais do trabalho.
RESULTADOS Este dispositivo, chamado de tetrodo, LASCS (Light Actived Silicon Controlled Switch) ou somente chave controlada de silício (Silicon Controlled Switch, SCS), é um fototiristor formado por uma estrutura de 4 regiões semicondutoras PNPN. Se dividirmos essa estrutura em duas partes, veremos que cada uma delas forma um transistor. Ele possui quatro terminais: anodo (A), catodo (K), e dois gates, porta anódica (Ga) e porta catódica (Gk ou Gc). Devido a isso, todas as regiões são acessíveis por um circuito externo. A aplicação principal do SCS é o chaveamento eletrônico, onde as tensões de bloqueio e controle de corrente de um transistor não são suficientes.
Observa-se na figura acima duas junções PN; a primeira forma a anodo e a última o catodo. Como essas regiões são divididas em duas partes formando cada uma delas um transistor, observamos que temos um transistor PNP que é constituído pelo anodo e suas regiões contíguas e um outro transistor NPN, que é constituído pelo catodo e as duas regiões acima dele. Esses transistores são unidos eletricamente nas seguintes regiões: a base do PNP com o coletor do NPN; o coletor do NPN com a base do PNP. Em virtude de as duas regiões de gate serem acessíveis, elas podem ser polarizadas de forma independente. Com isso, pode haver um controle dddas duas junções (uma P e outra N), pode-se efetivamente desligar o SCS. As funções básicas da porta anódica são duas: pode-se colocar o SCS em condução com uma corrente saliente em G A; quando o SCS está em condução, pode cortar-se com uma corrente entrante em G A. A porta catódica é muito mais sensível que a anódica, assim G K dispara o SCS com uma corrente de aproximadamente 2 µA, e GA o dispara com aproximadamente 2mA.
Com uma tensão aplicada de modo que o anodo seja positivo em relação ao catodo, as junções J 1 e J3 são polarizadas diretamente, de modo que a junção J 2 seja polarizada reversamente. Em virtude de a corrente no SCS ser a pequena corrente de fuga inversa da junção J 2, o dispositivo não está conduzindo. Quando a corrente no SCS excede o valor de retenção (quando a junção J 2 muda para polarização direta), o dispositivo permanece no estado de condução quando o pulso da porta for retirado. O SCS é cortado ou desligado pela redução de corrente no dispositivo a um valor abaixo do de manutenção. Isso pode ser feito pela aplicação de um pulso negativo no anodo, um pulso positivo à porta anódica (aplicando-se excitação inversa de base ao transistor PNP), ou de um pulso negativo à porta catódica (excitação inversa de base ao transistor NPN). Na prática, quando o SCS é usado como uma chave de operação rápida, a carga é usualmente conectada ao circuito de porta anódica. O dispositivo é depois cortado por um pulso de tensão negativa para o anodo, que reduz a corrente abaixo do valor de manutenção por um tempo maior que o tempo de corte ou desconexão. Um valor típico para o tempo de corte t q ou toff é 5µs, embora o valor dependa da temperatura da junção e da resistência externa da porta-catodo. Para garantir que o dispositivo seja desligado de maneira confiável e evitar o disparo espúrio, costumase manter a porta de anodo (G A) e a porta de catodo (G K) em tensões definidas, em vez de deixá-las flutuar. Uma tensão positiva é aplicada à porta anodo, de modo que a junção da porta anódica para anodo seja polarizada inversamente. Uma tensão negativa é aplicada à porta catodo, de modo que a junção porta catódica para anodo seja polarizada inversamente.
O pulso positivo de disparo para G K supera essa polarização inversa para fazer o SCS entrar em condução, a tensão positiva em G A ajudando a condução do transistor NPN do análogo a dois transistores. Um tempo de ligação típico de um SCS está entre 0,25 µs e 1,5µs, dependendo da resistência externa de G K. O tempo de ligação é constante ao longo de uma faixa de temperatura considerável. O SCS também pode ser usada com a carga conectada no circuito anodo. O dispositivo agora opera como um tiristor de baixa potência. A porta anódica ou não está conectada ou está conectada à fonte através de um resistor de alto valor para manter a tensão de operação correta sobre esta porta. Se devem ser usados pulsos negativos de disparo, então a porta catódica está ligada à linha do catodo através de um resistor de alto valor, e esses pulsos são aplicados à porta anódica.
O SCS nessa configuração é usado em circuitos sensores, sendo disparado para operar um relé ou uma lâmpada quando a tensão na porta excedesse a um valor pré-determinado. Aplicações Alarme 1
As entradas (In1 a In3) poderão ser acionadas por qualquer sistema que cause uma perturbação, como por exemplo, sensor luminoso, sensor de aproximação, reed-switch, etc. O interruptor “push-button” RESET (NA – normalmente aberto), restabelece a condição inicial do circuito, colocando os terminais A-K em curto, levando o SCS a condição de não condução. As lâmpadas piloto (LP1 a LP3) permitirão localizar a entrada que disparou o SCS. Uma outra forma de levar o SCS ao corte é a aplicação de um pulso positivo no gate/anodo (G A), ou ainda, através de um dispositivo externo tornar a resistência A-K do SCS bem próxima de zero, conforme ilustram as figuras a seguir.
Na figura 1, um pulso positivo externo aplicado ao Gate/Anodo leva o SCS a condição de não condição. Na figura 2, um pulso positivo é aplicado na base do transistor, através de um transformador isolador, levando-o a saturação; isto faz com que a resistência entre coletor e emissor seja próxima de zero (condição de saturação), interrompendo a condução do SCS, uma vez que a resistência entre A-K cai praticamente a zero pois esses terminais estão em paralelo com os terminais C-E do transistor. Alarme 2
O circuito a seguir mostra um alarme sensível a um dispositivo de coeficiente negativo (NTC, LDR, etc.)
O potencial no gate/catodo é determinado pelo divisor de tensão R V e trimpot; O potencial no gate/catodo será zero quando a resistência R V for igual a resistência do trimpot, pois ambos possuem 12V em seus terminais (+12V e 12V); Se RV diminui o SCS ficará diretamente polarizado, levando-o à condução disparando o relê; O resistor de 100k Ω reduz a possibilidade de disparo acidental devido ao fenômeno conhecido como rate effect (capacitância entre gates), pois um transiente de alta freqüência poderá provocar o disparo. A interrupção do alarme é feita através de Sw (push-button normalmente fechado).
ANÁLISE E DISCUSSÃO Por se tratar de um tipo de tiristor, as características do SCS se assemelham muito com as características do SCR. Os dois possuem quatro camadas e funcionam de maneira idêntica, exceto pelo fato de o SCS possuir dois Gates e o SCR possuir apenas um. Por esse fato, o SCS tem algumas vantagens e desvantagens sobre o outro dispositivo. Vantagens do SCS sobre o SCR: em virtude das duas regiões de gate serem acessíveis, elas podem ser polarizadas de forma independente; uma vez que pode haver um controle das duas junções (uma N e outra P), pode-se efetivamente desligar o SCS sem a necessidade de reduzir a tensão ou corrente de trabalho; tempo de comutação melhor; situação de disparo mais previsível; melhor sensibilidade. Desvantagens do SCS sobre o SCR menor corrente (corrente típica da ordem de 10 a 300mA); menor potência (potência típica da ordem de 100 a 500mW); menor tensão (tensão típica da ordem de 100V).
CONCLUSÃO Por possuir dois gates de disparo, o SCS se torna efetivamente uma chave eletrônica, pois o dispositivo pode ser ligado ou desligado por pulsos nas portas, sem ser necessário que se abaixe a corrente para um valor inferior à corrente de manutenção. Observando-se por esse aspecto, pode-se dizer que o SCS se assemelha ao GTO (Gate Turn Off), que permite o desligamento, que ocorre por pulso negativo de alta corrente. Esse dispositivo não é de uso muito comum, principalmente devido à baixa potência. No mercado, há um maior uso do SCR (Sillicon Controlled Rectificier). Com esse trabalho, foi possível ampliar os conhecimentos em eletrônica, principalmente em relação aos tiristores.
Bibliografia TURNER, L W – Circuitos e Dispositivos Eletrônicos. Editora Hemus, seção 8. OVIEDO, Universidad de, Servicio de Aplicaciones – Eletrónica de Potenciadispositivos. Editora Technology & Engineering. http://www.ezuim.com/downloads.html http://www.li.facens.br/eletronica http://www.alldatasheet.com
ANEXOS
Aspecto do SCS BRY62 fabricado pela Philips
