UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA
FEDERAL DO PARANÁ
COORDENAÇÃO DE ELETRÔNICA - COELE
Apostila didática:
CURSO DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO
DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
Apostila didática:
ELETRÔNICA INDUSTRIAL
Prof. Mário Lúcio da Silva Martins, Me. Eng.
Pato Branco, PR, Brasil
2° Semestre 2006
Professor:
Mário Lúcio da Silva Martins
Contato: [email protected] ou [email protected]
Ementa da Disciplina Eletrônica Industrial:
•
Chaves semicondutoras de potência: diodo, transistor, MOSFET, IGBT, SIT,
SCR, triac.
•
Acoplamento Ótico e Galvânico.
•
Circuito de Disparo de Semicondutores de Potência: TCA 785, UJT.
•
Dissipadores: especificações.
Conteúdo da Ementa da Disciplina Eletrônica Industrial:
•
Chaves semicondutoras de potência: diodo, transistor, MOSFET, IGBT, SIT,
SCR, triac.
o Introdução à Eletrônica Industrial;
o Chaves Smicondutoras de Potência:
Diodos: comutação de linha; rápidos; Schottky;
Tiristores: SCR; TRIAC; GTO; LASCR;
Transistores: BJT; MOSFET; IGBT; SIT;
Relés de estado sólido: SSR; DIAC;
Controle de fase com SCR e TRIAC;
Circuitos de Proteção do Gate;
Especificações e teste de chaves semicondutoras
•
Acoplamento Ótico e Galvânico.
o Transformadores de pulso;
o Opto-acopladores;
•
Circuito de Disparo de Semicondutores de Potência:
o UJT;
o TCA 785;
o Exemplos de circuitos de controle de potência AC;
•
Dissipadores: especificações
o Dissipação Térmica
o Determinação da Potência média dissipada;
o Circuito térmico em regime permanente;
o Circuito térmico em regime transitório;
o Dissipadores e suas especificações;
Objetivos gerais:
Em termos gerais o papel da Eletrônica Industrial é processar e controlar a
energia elétrica nas mais diversas formas e aplicações. Isto é obtido com a utilização de
circuitos especiais denominados de "conversores estáticos". Estes conversores estáticos
fazem uso de dispositivos semicondutores para manipular a energia. Portanto, o objetivo
principal desta disciplina é promover o conhecimento das características de
funcionamento dos dispositivos semicondutores de potência. Especificar os dispositivos
semicondutores de potência empregados em aplicações industriais. Além das
características destes dispositivos também serão apresentados os circuitos especiais
utilizados
para
o
acionamento,
proteção
e
dimensionamento
térmico
dos
semicondutores. O conhecimento das características dos semicondutores e dos
elementos que os circundam será fundamental para capacitação dos alunos para
realização de manutenção corretiva em circuitos de potência.
Metodologia:
Serão ministradas aulas teóricas onde o conteúdo será exposto de forma descritiva
onde as características gerais e as particularidades de cada tópico serão discutidas.
Para que o conteúdo seja da disciplina seja assimilado de forma mais adequada,
além das aulas teóricas, serão ministradas aulas práticas no laboratório de simulação,
onde situações reais serão invocadas possibilitando ao aluno utilizar o conhecimento
adquirido em sala de aula para resolver problemas do dia a dia do engenheiro.
Avaliação:
A avaliação se dará de modo continuado, ou seja, além das duas provas
descritivas (com peso 6.0 cada), o aluno será avaliado em sala de aula através de
exercícios e de trabalhos envolvendo simulação de circuitos (com peso 4.0 para cada
avaliação).
Bibliografia Sugerida:
1. RIBEIRO, Mauricio Eduardo Bernardino - Trad.; LANDER, Cyril W.;
Eletronica industrial: teoria e aplicacoes. 2. ed. Sao Paulo: Makron Books do Brasil,
c1997.
2. ALMEIDA, J. L. Eletrônica Industrial. São Paulo: Ed. Érica, 1985.
3. PALMA, Guilherme Rebouças da. Eletrônica de Potência. São Paulo, Ed.
Érica, 1994.
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4. LEITE, Duílio Moreira. Proteção Contra Descargas Atmosféricas. São
Paulo: Officina de Mydia Editora.
5. SANCHES, Durval. Eletrônica Industrial – montagem. Rio de Janeiro: Ed.
Interciência, 2000.
6. ALMEIDA, J. L. Dispositivos Semicondutores tiristores: controle de
potência em CC e CA. São Paulo: Ed. Érica.
7. BASCOPÉ, René P. Torrico; PERIN, Arnaldo José. O transistor IGBT
aplicado em Eletrônica de Potência. Porto Alegre: Ed. Sagra Luzzato, 1997.
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Unidade I - 4
UNIDADE 1 – CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA
Aula 1:
1 Introdução:
A maioria dos circuitos empregados na eletrônica industrial faz uso de
dispositivos semicondutores que operam como chaves as quais, idealmente, apresentam
resistência infinita quando em estado de bloqueio e, resistência nula quando no seu
estado de condução. Além disto, a transição entre os estados de condução e bloqueio
ocorre instantaneamente sem perdas.
Embora estas considerações sejam válidas e muito úteis em muitas situações e
análises, é necessário para o engenheiro ter uma idéia geral sobre os aspectos físicos dos
semicondutores assim como ser capaz de entender o vocabulário e as não-idealidades
que dizem respeito aos fenômenos elétricos destes dispositivos semicondutores. Neste
contexto é apenas necessário expor uma descrição qualitativa dos dispositivos
semicondutores chaveados e seus mecanismos de funcionamento.
Até os dias de hoje, grande parte dos dispositivos semicondutores tais como
diodos, tiristores e transistores são baseados numa estrutura monocristalina de silício.
2 Definição de um dispositivo retificador (chave semicondutora de
potência):
Dispositivo retificador é aquele que permite a circulação de corrente em um único
sentido. Como mostrado no diagrama da Figura 1.
(a)
(b)
Figura 1 - Diagrama de um dispositivo retificador.
3 Estrutura básica:
Aula 1: Chaves Semicondutoras de Potência – Princípios Básicos
Eletrônica Industrial
A passagem de corrente elétrica em um meio depende da aplicação de um campo
elétrico e da existência de portadores livres (usualmente elétrons) neste meio. Em
metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (elétrons) é da ordem
de 1023/cm3, enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o óxido de alumínio,
o valor é da ordem de 103/cm3. Os chamados semicondutores, como o silício, têm
densidades intermediárias, na faixa de 108 a 1019/cm3. Nos condutores e nos isolantes,
tais densidades (portadores livres) são propriedades dos materiais, enquanto nos
semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adição de “impurezas” de outros
materiais, seja pela aplicação de campos elétricos, irradiação, etc.
O material ativo a partir do qual a maioria dos dispositivos retificadores de
potência são construídos é o silício. O Silício é um elemento do Grupo IV da Tabela
Periódica e, portanto, possui quatro (4) elétrons na última órbita da estrutura atômica
(camada ou órbita de valência).
Átomos de matérias com quatro elétrons em sua camada mais externa ou ainda
moléculas com a mesma propriedade, permitem o estabelecimento de ligações muito
estáveis, uma vez que o compartilhamento dos elétrons externos pelos átomos vizinhos
(ligação covalente), produz um arranjo com 8 elétrons na camada de valência.
Em qualquer temperatura acima do zero absoluto (-273 °C ou 0 K), algumas
destas ligações covalentes são rompidas (ionização térmica), produzindo elétrons livres.
O átomo que perde tal elétron se torna positivo. Eventualmente um outro elétron
também escapa de outra ligação e, atraído pela carga positiva do átomo, preenche a
ligação covalente. Desta maneira tem-se uma movimentação relativa da “carga
positiva”, chamada de lacuna, que, na verdade, é devido ao deslocamento dos elétrons
que saem de suas ligações covalentes e vão ocupar outras. Esta ionização térmica, numa
estrutura pura de silício (em equilíbrio), gera o mesmo número de elétrons e lacunas.
Esta estrutura pura é dita silício intrínseco e os elétrons são considerados como
portadores de carga. Tanto lacunas quanto elétrons contribuem para condução, embora
as lacunas apresentem menor mobilidade devido à ligação covalente.
Pares de elétrons-lacunas estão continuamente sendo gerados pela ionização
térmica e, para manter o equilíbrio mencionado, os pares gerados anteriormente se
desfazem e tornam a se recombinar. A concentração de portadores se mantém igual e é
fortemente dependente da temperatura. Para se obter um dispositivo retificador
semicondutor é necessário aumentar-se muito o número de elétrons e lacunas livres. Isto
pode ser obtido através da dopagem do silício. O silício dopado é chamado de
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Aula 1: Chaves Semicondutoras de Potência – Princípios Básicos
Eletrônica Industrial
extrínseco e a medida que a concentração do elemento dopante aumenta, a
condutividade do material resultante também aumenta.
A. Semicondutores Dopados
Se ao Silício for acrescido (combinado) um elemento do Grupo V (como o
fósforo) haverá um elétron livre na estrutura do cristal, visto que os elementos do Grupo
V possuem cinco elétrons na última órbita de sua estrutura atômica. Este elétron livre
possibilita um grande aumento na condução do material. Como o elétron é uma carga
negativa, o material resultante é conhecido como semicondutor do tipo N. Então um
elemento do Grupo V é chamado de doador, pois este doa um elétron para aumentar a
condutividade.
Por outro lado, se o Silício for combinado com um elemento do Grupo III (como o
alumínio ou o boro) com três (3) elétrons na última órbita, surge uma lacuna na
estrutura cristalina. Esta lacuna pode receber um elétron livre e, por esta razão, é
considerada uma carga positiva. O material resultante da junção do Silício com um
elemento do Grupo III é conhecido como semicondutor tipo P. Então o elemento do
Grupo III é chamado de receptor pois é ionizado por uma carga negativa.
Em ambos os casos não se têm mais o equilíbrio entre elétrons e lacunas,
passando a existir um número maior de elétrons livres nos materiais dopados com
elementos da quinta coluna da tabela periódica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com
elementos da terceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiais
semicondutores tipo N e tipo P.
Observa-se, no entanto, que o material permanece eletricamente neutro, uma vez
que a quantidade total de elétrons e prótons é a mesma.
Os elétrons em silício extrínseco do tipo N e as lacunas em silício extrínseco do
tipo P são chamados de portadores majoritários, enquanto que as lacunas no silício
extrínseco do tipo N e os elétrons no silício extrínseco do tipo P são chamados de
portadores minoritários.
Em outras palavras, quando a lacuna introduzida pelo boro (Grupo III) captura um
elétron livre, tem-se a movimentação da lacuna (silício extrínseco Tipo P). Neste caso
diz-se que as lacunas são os portadores majoritários, sendo os elétrons os portadores
minoritários. Já no material tipo N, a movimentação do elétron excedente deixa o átomo
ionizado, o que o faz capturar outro elétron livre. Neste caso os portadores majoritários
são os elétrons, enquanto os minoritários são as lacunas.
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B. Junção pn
A junção pn é o local do semicondutor onde as impurezas que são utilizadas para
dopar o silício (dopantes) mudam de p para n. Pode-se dizer que o diodo bipolar é
gerado na junção pn, que é a base de qualquer dispositivo semicondutor.
Existem vários processos que podem ser utilizados para formar uma junção pn,
dentre os quais podem ser citar difusão, implantação iônica, etc.
(a)
(b)
Figura 2 - Diagrama da junção pn. (a) Gráfico da concentração de dopantes na junção; (b) Corte
transversal da junção.
A Figura 2(a) mostra a concentração de dopantes de acordo com o corte
transversal da junção pn mostrado na Figura 2(b), onde NC/CC é o perfil de
concentração de impurezas.
A Figura 3 mostra quatro instantes de uma junção pn. A Figura 3(a) mostra os
dois silícios tipo N e tipo P. A Figura 3(b) mostra a formação da camada de depleção e
o fluxo dos doadores ionizados ( ⊕ ) e dos receptores ionizados ( ⊙ ). A Figura 3(c)
mostra que o fluxo de doadores e receptores é chamado de corrente de difusão e possui
o sentido do silício tipo N para o silício tipo P. A Figura 3(d) mostra que o fluxo de
doadores forma uma barreira de potencial onde carga positiva formada pelos doadores
ionizados se concentra numa região próxima a junção no material tipo P, enquanto que
carga negativa formada pelos receptores ionizados se concentra numa região próxima a
junção no material tipo N. Estas cargas fazem com que haja um fluxo de lacunas e
elétrons exatamente oposto ao fluxo da corrente de difusão. Esta corrente é chamada de
corrente de fuga. Estes dois fenômenos ocorrem simultaneamente e entram em
equilíbrio.
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O diodo da Figura 4(a) é formado pela junção dos materiais tipo N e tipo P em um
único cristal. Os elétrons livres do material tipo N e as lacunas livres do material tipo P
se combinam numa região denominada de junção que se localiza na fronteira entre os
dois materiais. Uma barreira de potencial é criada ao longo da junção com um valor que
varia de 0,4 a 0,6 V. A região formada ao longo da barreira de potencial é denominada
de camada de depleção.
Quando a região p (Anodo) é colocada num potencial maior do que o potencial
que se encontra a região n (Catodo), a barreira de potencial ao longo da junção se
estreita e a corrente do circuito flui livremente através desta, como mostrado na Figura
4(b). Por outro lado, se a região n (Catodo) é colocada num potencial maior do que o
potencial que se encontra a região p (Anodo), a barreira de potencial ao longo da junção
se amplia. Isto ocorre porque os elétrons da região n são atraídos para o potencial
positivo externo, enquanto que as lacunas da região p são atraídas para o potencial
negativo externo. Neste caso a única corrente que flui é uma pequena corrente de fuga.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 3 - Junção pn. (a) Junção pn com portadores não difusos: ⊕ doadores ionizados, ⊙
receptores ionizados, + lacunas e - elétrons; (b) Junção pn com portadores difusos (sentido da
corrente de difusão); (c) Junção pn e camada de depleção (barreira de potencial) e sentido da
corrente.
Assim, os elétrons são representas pelo símbolo (-), as lacunas pelo símbolo (+),
os doadores ionizados por ( ⊕ ) e os receptores ionizados por ( ⊙ ). Algumas referências
definem uma região com grande concentração de doadores ionizados como n+,
analogamente uma região com grande concentração de receptores ionizados é definida
como p -. Ao contrário, uma região com muitos elétrons e poucos doadores ionizados é
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definida como n
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e uma região com muitas lacunas e poucos receptores ionizados é
definida como p+.
(a)
(b)
(c)
Figura 4 - Junção pn. (a) Barreira de potencial e distribuição de cargas; (b) Junção pn diretamente
polarizada; (c) Junção pn inversamente polarizada.
C. Controle do “tempo de vida” e definição do “tempo de vida”
Dois processos básicos têm sido desenvolvidos para reduzir o tempo de vida dos
portadores em dispositivos semicondutores de potência, são eles: (i) difusão térmica de
ouro ou platina; e (ii) bombeamento do silício com partículas com grande energia, como
elétrons e fótons.
A principal conseqüência do controle do tempo de vida é o aumento da velocidade
de chaveamento do semicondutor. O preço pago por esta maior velocidade é um
aumento na queda de tensão de condução do dispositivo.
O que é tempo de vida ?
Se o silício do tipo N é irradiado por fótons com energia suficiente para ionizar os
elétrons de valência, pares de elétrons-lacunas são produzidos. Como já existe uma
abundância de elétrons (portadores majoritários) no silício do tipo N, o excesso de
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lacunas (portadores minoritários) é de maior importância. Se a fonte de luz que provoca
o bombardeamento por fótons for removida, a constante de tempo associada a
recombinação, ou o tempo de decaimento do excesso de portadores minoritários é
chamado de tempo de vida dos portadores minoritários, τh. Para o silício do tipo P
exposto a luz, um excesso de portadores minoritários é gerado e, após a fonte que gera
estes portadores em excesso ser removida, o tempo de decaimento associado a este
proceso é também definido como tempo de vida dos portadores minoritários, τe. O
tempo de vida dos portadores minoritários é frequentemente chamado de tempo de vida
de recombinação.
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