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Nesta página, algumas informações básicas sobre alguns tipos de semicondutores de potência. Equipamentos industriais são certamente uma das suas principais aplicações. Sem eles, aparelhos como inversores de freqüência não seriam viáveis. E podem também substituir com vantagens dispositivos eletromecânicos, como relês e chaves magnéticas.

Observação: para cada tipo, é mostrada a estrutura simplificada das camadas semicondutoras. Os sinais após o tipo (n+, n-, p+, p-) não têm relação com cargas elétricas. Indicam a intensidade da introdução de impurezas (dopagem): sem sinal (dopagem média), - (dopagem fraca), + (dopagem forte). Mais informações elementares sobre o assunto podem ser vistas na página Semicondutores I-10 deste site.

Diodo de potência

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É o mais simples dos semicondutores, usados sobretudo em processos de retificação.

Figura 01

Na Figura 01 deste tópico, a estrutura simplificada e a curva corrente x tensão.

A corrente direta máxima é limitada pela temperatura máxima da junção, ou seja, a temperatura acima da qual a junção é destruída.

A junção também pode ser danificada por uma tensão inversa maior que a máxima (V_rm na figura).

Como todos os dispositivos práticos, a operação não se dá de forma ideal. Supondo que a junção está conduzindo, se a tensão é bruscamente invertida, as regiões p e n ainda terão portadores minoritários de carga e o diodo se comporta como um curto-circuito por um breve período de tempo.

Figura 02

Assim, há uma corrente no sentido inverso, conforme Figura 02, que pode provocar interferências e perdas.

Diodos rápidos ou ultra-rápidos têm esse fenômeno menos pronunciado, mas em geral a máxima tensão inversa é menor.

Transistor bipolar

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Transistores bipolares são bastante conhecidos e dispensam maiores comentários.

Figura 01

Na Figura 01, a estrutura simplificada e gráfico da corrente de coletor em função da tensão coletor-emissor e tensão base-emissor.

Para operações de comutação, há problemas semelhantes aos dos diodos e, por isso, existem os tipos rápidos, que, também de forma similar, têm menor capacidade.

Figura 02

Para assegurar uma comutação mais rápida, o circuito deve forçar uma corrente negativa na base, conforme gráfico da Figura 02.


O transistor Darlington é um único componente, mas é equivalente a dois bipolares conforme Figura 03.

Figura 03

Oferece um ganho maior, com as desvantagens de uma maior queda de tensão e maior tempo de comutação.


Transistores bipolares em geral têm a vantagem do baixo custo e, como desvantagens, o custo dos circuitos de controle e a limitação da velocidade de comutação. São usados, por exemplo, em ignição automotiva, reatores eletrônicos para lâmpadas, deflexão horizontal de televisores e monitores de vídeo.

SCR - Retificador controlado de silício

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Tiristor é o nome genérico para semicondutores de quatro camadas, dos quais os principais são os SRCs e os TRIACs.

Figura 01

Na parte superior da Figura 01 deste tópico, a estrutura, o circuito equivalente e o símbolo de um SCR.

Na prática, ele se comporta como um diodo retificador controlado pela porta. Mas o controle da porta não é total. Ver na parte inferior da figura.

Supondo que está diretamente polarizado, ao fechar a chave, um pulso de corrente é aplicado na porta devido à descarga do capacitor. E o SCR passa a conduzir de forma permanente, independente da porta.

Para deixar de conduzir, a corrente na junção deve cair a zero, o que ocorre com correntes alternadas.

Esse tipo de controle funciona devido a uma realimentação positiva, como pode ser deduzida pelo circuito equivalente.

SCRs são componentes de baixo custo, mas o controle parcial pela porta e o trabalho com apenas um semiciclo limitam as aplicações. Podem ser usados, por exemplo, para retificar e controlar uma tensão AC que alimenta um motor de corrente contínua.

TRIAC

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Figura 01

Desde que o SCR só conduz em um sentido, fica evidente sua limitação em circuitos AC, pois somente um semiciclo pode ser aproveitado. O TRIAC resolve essa limitação, sendo equivalente a dois SCRs ligados em oposição, conforme Figura 01 ao lado.

O controle pela porta é parcial como no SCR. A corrente controlada deve cair a zero para o cessar da condução.

Figura 02

Um exemplo de controle é dado na Figura 02.

Enquanto os pulsos na porta são aplicados exatamente nos instantes de corrente de entrada nula, a saída é igual à entrada. Sem os pulsos, a saída é nula.

Nessa condição, pode funcionar como uma chave liga-desliga ou um controle tipo trem de pulsos.

Figura 03

Na Figura 03, os pulsos não deixam de ser aplicados, mas são defasados em relação aos instantes de corrente nula. Assim, os semiciclos são cortados, resultando numa potência menor na carga. É o controle por desvio de fase e é empregado em dimmers para iluminação. Deve ser evitado para potências altas, uma vez que as formas de onda deixam de ser senoidais, com a conseqüente geração de harmônicos.

GTO

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Figura 01

GTO é abreviação de Gate Turn Off Thysistor, ou seja, opera de forma similar a um SCR, mas pode ser cortado pela porta.

No circuito da parte inferior da Figura 01 deste tópico, ao se comutar a chave para cima, a descarga do capacitor fornece um pulso positivo e o dispositivo conduz. Se a chave é comutada para baixo, o pulso negativo proporcionado pelo indutor interrompe a condução.

A queda de tensão em um GTO é em geral maior do que a de um SCR de mesma capacidade.

GTOs são usados em aplicações de altas tensões, elevadas correntes e baixas freqüências de comutação, como em trens elétricos.

MOSFET de potência

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Figura 01

Na condução o componente usa apenas portadores majoritários de carga e, assim, a capacidade máxima é definida pela taxa de dissipação de calor.

Devido à elevada impedância entre porta e fonte, forma-se um capacitor entre elas e, portanto, o circuito simples de comutação não precisa de um capacitor como os anteriores. Basta uma bateria e chave conforme parte inferior da Figura 01 ao lado.

MOSFETs de potência podem operar com altas freqüências de comutação e requerem um mínimo de potência dos circuitos de controle. Podem ser controlados diretamente por microprocessadores e, por isso, encontram aplicações como controle de sistemas automotivos.

IGBT

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Figura 01

IGBT é abreviação de Insulated Gate Bipolar Transistor (transistor bipolar de porta isolada).

Pode ser considerado como um transistor Darlington com um MOSFET como excitador e um bipolar como saída de potência.

Assim, o circuito de controle é similar ao do MOSFET conforme tópico anterior e as características de comutação são parecidas com as do transistor bipolar.


Apesar do maior custo em relação ao transistor bipolar, a maior simplicidade dos circuitos de controle pode resultar em um custo total menor. São usados em controles de motores e em ignição automotiva, ou seja, em aplicações de baixas freqüências de comutação e altas tensões.


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