Apostila_Eletrônica_de_Potência_Samuel_Parte1

UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCO ESCOLA POLITÉCNIA DE PERNAMBUCO

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

PROFº. ANTONIO SAMUEL NETO

Eletrônica de Potência

Profº. Antonio Samuel Neto 2

ÍNDICE INTRODUÇÃO .........................................................................................................................................4

UM REOSTATO COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE................................................................5 UMA CHAVE COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE ....................................................................5 CHAVES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA...............................................................................6 APLICAÇÕES.......................................................................................................................................6 CLASSIFICAÇÃO ................................................................................................................................7

PARÂMETROS PRINCIPAIS DE UM SEMICONDUTOR USADO.....................................................9 COMO CHAVE.........................................................................................................................................9

A CHAVE IDEAL E A CHAVE REAL ...............................................................................................9 CLASSIFICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA.........................11 CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA............................11 DIODOS ..............................................................................................................................................15 DIODOS DE USO GERAL.................................................................................................................15 DIODOS RÁPIDOS ............................................................................................................................16 DIODOS ULTRA-RÁPIDOS..............................................................................................................16 DIODOS SCHOTTKY ........................................................................................................................16 CIRCUITO EQUIVALENTE..............................................................................................................17 APLICAÇÃO DO DIODO..................................................................................................................18 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................18

RESUMO.........................................................................................................................................24 TRANSISTOR BIPOLAR...................................................................................................................25

TENSÕES E CORRENTES NOS TRANSISTORES NPN E PNP ................................................26 CONFIGURAÇÕES BÁSICAS ......................................................................................................28 POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES.........................................................................................30 PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE) ...................................................................................30 CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES...................................................................................33 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS.................................................................................................34 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ........................................................................................................34 RESUMO.........................................................................................................................................37

TIRISTORES.......................................................................................................................................38 SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ..............................................................39 REGIÕES DE OPERAÇÃO............................................................................................................41 CARACTERÍSTICA TENSÃO - CORRENTE ..............................................................................44 MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA ENTREGUE À CARGA .....................................44 Disparo por CC - Carga CA.............................................................................................................45 Disparo CA - Carga CA - Retificador Controlado Meia Onda.......................................................46

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................48 RESUMO.........................................................................................................................................54 MOSFETS (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FET) TIPO DEPLEÇÃO.............................58 MOSFET TIPO CRESCIMENTO...................................................................................................59 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ........................................................................................................61

GTO .....................................................................................................................................................68 IGBT ....................................................................................................................................................70 CCOOMMPPAARRAAÇÇÃÃOO EENNTTRREE CCHHAAVVEESS CCOONNTTRROOLLAADDAASS....................................................................73

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS ................................................................................73 COMBINAÇÃO TÍPICA DE SEMICONDUTORES.....................................................................73



EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................74



INTRODUÇÃO Eletrônica de Potência trata do processamento de energia. Sendo a eficiência uma das

características importante nesse processamento. A diferença entre a energia que entra no sistema e a que sai geralmente é transformada em calor. Mesmo que, o custo da energia desperdiçada gere preocupação, a remoção dessa energia cria transtornos tanto durante o projeto quanto na sua utilização. Atualmente conversores estáticos utilizados para transformar a energia elétrica de uma forma para outra, apresentam eficiência entre 85% e 99% dependendo da aplicação da faixa de potência. Essa eficiência elevada é obtida utilizando semicondutores de potência, que apresentam uma queda de tensão próxima de zero quando em condução, e uma corrente praticamente nula quando em bloqueado.

Static Converter Definition by IEEE Std. 100-1996:

A unit that employs static rectifier devices such semiconductor rectifiers or thyristors, transistors, electron tubes, or magnetic amplifiers to change ac power to dc power and vice versa.

A Eletrônica de Potência trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como transistores e tiristores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência

Essa conversão normalmente é de AC para DC por conta do sistema elétrico ser AC e grande

parte do controle ser feito em DC. Porém, a conversão DC para AC também é viável. Os parâmetros controlados são tensão, corrente e frequência.

A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pela variação da tensão de alimentação (transformador variável) ou pela inserção de um regulador (reostato, reator variável ou uma chave). As principais características dos dispositivos semicondutores, as quais são responsáveis pela sua grande gama de aplicação e crescente interesse, são descritas a seguir



UM REOSTATO COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE A figura a seguir mostra um exemplo de um reostato controlando uma carga. Quando R1 tem

zero de resistência, a carga recebe toda a potência. Quando R1 é máxima, a potência entregue à carga é praticamente igual a zero.

Nas aplicações em que a potência a ser controlada é grande, a eficiência de conversão passa a ser importante. Uma eficiência baixa significa grandes perdas, uma preocupação de caráter econômico, além de gerar calor, que terá de ser removido do sistema para evitar superaquecimento.

Determinar a potência entregue a carga, a potência dissipada no reostato, a potência

fornecida pela fonte e a eficiência.

Pelo exemplo acima, fica claro que quanto maior o valor de R1 menor é a eficiência da transferência de potência da fonte.

UMA CHAVE COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE Na figura a seguir, uma chave é usada para o controle da carga. Quando a chave está ligada, um

máximo de potência é transferido para a carga. A perda de potência na chave é nula, uma vez que não há tensão sobre ela. Quando a chave está desligada, não existe potência entregue à carga. Da mesma maneira, nesse caso não há perda de potência na chave, uma vez que não passa nenhuma corrente por ela. A eficiência é de 100%, porque a chave não consome energia em qualquer um dos dois casos.



O problema existente nesse método é que, ao contrário do reostato, a chave não pode ser colocada em posições intermediárias, de modo que proporcione variação de potência. No entanto, podemos criar o mesmo efeito abrindo e fechando a chave periodicamente. Os transistores e os SCRs usados como chaves podem abrir e fechar de maneira automática centenas de vezes por segundo. Se precisarmos de mais potência, a chave eletrônica deve ficar ligada por períodos maiores e desligadas durante a menor parte do tempo. Do contrário, basta deixar a chave desligada por mais tempo.

Exemplo: Uma fonte DC esta fornecendo energia para uma carga resistiva de 10W através de uma chave. Determine a potência fornecida à carga, a perda de potência na chave e a potência total fornecida pela fonte se a chave estiver:

a) fechada b) aberta c) fechada 50% do tempo d) aberta 50% do tempo

CHAVES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Tipos de chaves semicondutoes:

· Diodos · Transistores Bipolares de Junção – BJT. · Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor – MOSFETS. · Transistores Bipolares de Porta Isolada – IGBT. · Retificadores Controlados de Silício – SCR. · Triacs · Tiristores de desligamentos por porta – GTO

Para todos os tipos de chaves apresentadas acima, verifica-se as seguintes condições desejáveis de operação:

· Liga e desliga instantaneamente. · Quando esta ligada, a queda de tensão nela é zero. · Quando esta desligada, a corrente que passa por ela é zero. · Não dissipa potência. · Quando ligada, que possa suportar altas correntes. · Quando desligada, que possa suportar altas tensões. · Que utilize pouca potência para o controle da operação. · Que seja altamente confiável. · Que seja pequena e leve. · Que tenha baixo custo. · Que não requeira manutenção.

APLICAÇÕES

· Fontes CC chaveadas e sistemas de energia ininterrupta

Fontes para computadores e equipamentos de telecomunicações.



· Conservação da energia

Operação de lâmpadas fluorescentes em alta freqüência.

Acionamento de bombas e compressores com velocidade controlada.

· Controle de processos e automação industrial

Acionamento com velocidade controlada em controle de processos.

· Transporte

Carros elétricos.

· Aplicações em eletrotécnica

Equipamentos para soldagem, eletrólise e aquecimento indutivo.

· Aplicações relacionadas ao suprimento

Transmissão de potência em alta tensão CC.

Sistemas de geração solares e eólicos.

CLASSIFICAÇÃO Processadores

Saída para a carga:

· CC

Amplitude constante.

Amplitude variável.

· CA

Freqüência constante e amplitude variável.

Freqüência e amplitude variáveis.

Conversores



De acordo com a forma dos dois lados:

· CA-CC

· CC-CA

· CC-CC

· CA-CA

De acordo com o modo de chaveamento:

· Conversores com comutação natural

Tensões de suprimento presentes em um lado do conversor facilitam o bloqueio dos dispositivos

semicondutores de potência.

· Conversores com comutação forçada

Chaves controladas no conversor são ligadas e desligadas em freqüências elevadas quando comparadas

à freqüência da rede.

· Conversores ressonantes

Chaves controladas ligam e/ou desligam com tensão nula e/ou corrente nula.



PARÂMETROS PRINCIPAIS DE UM SEMICONDUTOR USADO

COMO CHAVE A CHAVE IDEAL E A CHAVE REAL

Uma chave ideal apresenta dois estados: aberta e fechada.

Quando aberta sua resistência é infinita, não permitindo a passagem de corrente. Para qualquer tensão aplicada, ela mantém essa característica. Quando fechada sua resistência é nula e, portanto, não há tensão sobre ela. Ela mantém essa característica para qualquer corrente que passe por ela. O tempo que uma chave ideal leva para mudar de estado é nulo, isto é, ela abre ou fecha instantaneamente.

A chave real pode diferir bastante deste comportamento. Primeiramente, ela não apresenta uma resistência infinita quando aberta, podendo permitir a passagem de uma pequena corrente denominada de corrente de fuga. Além disso, ela apresenta uma alta resistência apenas até um certo valor de tensão, a partir do qual rompe-se a isolação. Esta tensão é chamada de tensão máxima. Para os semicondutores geralmente ela é chamada de tensão de ruptura.

Quando fechada, a chave real não é um curto, mas apresenta uma pequena resistência, chamada de resistência de condução (Ron). Esta resistência é a responsável pela queda de tensão em condução da chave. Além disso, existe uma máxima corrente que pode passar pela chave, a partir da qual ela danifica-se.

Finalmente, a mudança de estado de uma chave real não é instantânea, podendo demorar de nanosegundos a milisegundos. O tempo que ela leva para se abrir é chamado de trr (tempo de recuperação reversa) e, em geral, é o mais lento da chave. Genericamente, o tempo que a chave leva para mudar de estado é chamado de tempo de chaveamento.

Quando comparada com uma chave mecânica , uma chave eletrônica apresenta vantagens e desvantagens.

Vantagens:

· Não apresenta desgastes

· Dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.

· Não apresenta arco voltaico

· Velocidade de comutação muito alta

Desvantagens:

· Apresenta uma pequena queda de tensão pois tem uma pequena resistência ao conduzir.

· Apresenta uma pequena corrente de fuga (nA) quando aberta.

· Dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.

A tabela 1 mostra, para os principais dispositivos, estes parâmetros aqui vistos. A figura 1 mostra, de acordo com os parâmetros vistos, o campo de aplicação dos principais dispositivos.



Tabela 1- Limites de Operação para os principais tipos de semicondutores

Figura 1- Aplicações dos Dispositivos de Potência (Cortesia da Powerex, Inc.)



CLASSIFICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Os dispositivos semicondutores de potência podem ser classificados sob vários aspectos:

1) Controlabilidade da entrada em condução ou desligamento.

Neste caso os dispositivos se dividem em controláveis ou não. Por exemplo, um diodo não é controlável nem na entrada em condução, nem no desligamento. Um SCR é controlável na entrada em condução, mas não no desligamento. Um transistor ou um GTO é controlável sob os dois aspectos.

2) Necessidade de sinal contínuo de disparo.

Esta classificação divide os dispositivos em disparáveis por pulso (por exemplo, os tiristores) e os que necessitam de um sinal contínuo para permanecer conduzindo (por exemplo, transistores bipolares, MOSFETs, IGBTs, etc.).

3) Capacidade de bloquear tensões reversas.

Alguns componentes conseguem bloquear altas tensões quando reversamente polarizados (por exemplo, SCRs, GTOs, etc) e outros não (transistores bipolares, MOSFETs, etc).

4) Capacidade de conduzir corrente nos dois sentidos.

Podemos classificar os dispositivos em bidirecionais, ou seja, aqueles que permitem a passagem de corrente nos dois sentidos (por exemplo, o TRIAC) e aqueles unidirecionais (por exemplo, SCR, transistor bipolar, GTO, etc). Alguns dispositivos, como o MOSFET, apesar de permitirem a passagem de corrente em ambos os sentidos, em apenas um deles ela é controlável, sendo, portanto, considerado unidirecional.

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA. Os principais dispositivos empregados em eletrônica de potência têm evoluído

consideravelmente nos últimos anos. Cada vez mais tem se desenvolvido dispositivos para processar mais potência, como pode se verificar na figura abaixo (extraído de Mohan, 2002).



Figura 2 - Semicondutores de potencia disponíveis no mercado em função da corrente tensão e frequência de

operação

Figura 3 - Características gerais dos Semicondutores de Potência.



Figura 4 - Características e símbolos de alguns dispositivos de potência

O maior desafio no projeto de semicondutores de potência é obter altas tensões de bloqueio com baixas quedas diretas quanto em condução. Outro desafio é que aqueles dispositivos semicondutores que apresentam altas tensões de bloqueio com baixas quedas diretas resultam tempos de comutação significativos. A tensão máxima de bloqueio de uma junção p-n e a sua região de depleção são uma função do grau de dopagem. Para obter altas tensões de bloqueio é necessário reduzir a dopagem, e assim aumentar a resistividade. Por outro lado, essa região de alta resistividade contribui significativamente para resistência de condução do diapositivo. Assim dispositivos de alta tensão apresentam maiores resistências de condução do que dispositivos de baixa tensão. Em dispositivos de portadores majoritários, por exemplo, os MOSFETS e os diodos Schottky, esse efeito é responsável



pela dependência da queda direta ou sua resistência de condução com a tensão máxima de bloqueio. Por outro lado, e dispositivos de portadores minoritários, diodo de difusão, BJT , IGBT, SCR,GTO e MCT outro fenômeno chamado de modulação de condutividade ocorre. Quando um dispositivo de portadores minoritários encontra-se em condução portadores minoritários são injetados na região de baixa dopagem através da junção que está diretamente polarizada. A elevada concentração de portadores minoritários na região de alta resistividade reduz a resistência aparente da junção p-n durante a condução. Devido a esse fenômeno os dispositivos de portadores minoritários apresentam uma menor resistência se comprado com os dispositivos de portadores majoritários.

Deve ser salientado, que a vantagem dos dispositivos de portadores minoritários de reduzir a resistência de condução traz junto a desvantagem de aumentar os tempos de comutação. O estado de condução de qualquer semicondutor é controlado pela presença ou ausência de algumas cargas dentro do dispositivo, e os tempos de entrada em condução e bloqueio são uma função do tempo necessário para colocar ou remover essas cargas. A quantidade total de cargas que controlam o estado de condução de dispositivos de portadores minoritários é muito maior que as cargas necessárias para controlar um dispositivo equivalente de portadores majoritários.

Apresas dos mecanismos de inserção e remoção das cargas de controle dos diferentes dispositivos, (BJT, IGBT, MOSFET, DIODO, etc.) serem diferentes, é verdade que, devido à maior quantidade de carga dos dispositivos de portadores minoritários, esses apresentam tempos de comutação significativamente maiores que os dispositivos de portadores majoritários. Com uma conseqüência dispositivos de portadores majoritários são usualmente utilizados em aplicações de baixas tensões e alta freqüência, dispositivos de portadores minoritários em altas tensões e alta potência. A figura abaixo descreve as diferentes semicondutores e as suas aplicações típicas.

Figura 5 - Semicondutores de potência em diferents aplicações



DIODOS O diodo é um semicondutor não controlável, pois o seu estado, conduzido ou bloqueado é determinado pela tensão ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado, e não por qualquer ação que possamos tomar. Apresenta as seguintes características:

· É um dispositivo não-controlado (comuta somente espontaneamente); · Conduz quando diretamente polarizado (Vak>0) e bloqueia quando i<0; · Possui uma queda de tensão intrínseca quando em condução (VF ~ 1V); · Não são facilmente operados em paralelo, devido aos seus coeficientes térmicos de condução serem

negativos. Ou seja, quanto maior temperatura menor a queda direta. · Pode conduzir reversamente durante um tempo trr, que é especificado pelo fabricante.

Idealmente, um díodo irá conduzir corrente no sentido definido pela seta no símbolo e age como circuito aberto para qualquer tentativa de estabelecer corrente no sentido oposto.

Simbologia do diodo

Curva característica ideal

Curva característica real

Observa-se que existe uma tensão máxima reversa de bloqueio Vrated, a partir da qual o diodo entra em avalanche, o qual leva o componente à sua distruição.

Estados de (a) condução – polarização direta e (b) não-condução – polarização reversa do diodo

ideal determinados pela polarização aplicada

DIODOS DE USO GERAL Estes diodos são os mais comuns no mercado, e também são conhecidos com line-frequency

diodes ou standard recovery diodes. São os diodos que foram desenvolvidos para operar em



freqüências muito baixas, geralmente menor que 1kHz.. Possuem baixa queda em condução, desta forma estes diodos estão aptos para operar até vários kV de tensão e kA de corrente. Como o tempo de recuperação desses dispositivos é elevado (dezenas ou centenas de micro-segundos), estes dispositivos não são indicados para operarem em altas freqüências.

DIODOS RÁPIDOS Diodos rápidos possuem tempos de recuperação trr da ordem de, no máximo, poucos micro-

segundos, enquanto nos diodos normais é de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno da corrente a zero, após o bloqueio, devido à sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo já estar desligado, é uma fonte importante de sobretensões produzidas por indutâncias parasitas associadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenômeno foram desenvolvidos os diodos soft-recovery, nos quais esta variação de corrente é suavizada, reduzindo os picos de tensão gerados.

Os diodos rápidos são dispositivos projetados para o uso em aplicações envolvendo alta freqüência, onde um pequeno tempo de recuperação é necessário. Em elevados níveis de potência, os diodos rápidos possuem trr de poucos microssegundos ou até ns, além disso, esta classe de diodo possui baixa queda em condução direta.

DIODOS ULTRA-RÁPIDOS É uma família melhorada dos diodos rápidos. São semelhantes aos diodos rápidos em termos de

queda em condução, porém possuem menor tempo de recuperação. Como recuperação ocorre de forma suave, é possível reduzir ou mesmo eliminar o uso de snubbers na maioria das aplicações. Sendo um dispositivo de portadores minoritários, sua queda em condução é pequena, de tal forma que pode ser aplicado em altas tensões de bloqueio. É muito empregado em fontes chaveadas de alta freqüência de alta eficiência, nos quais se incluem aqueles que operaram com comutação ZVS e ZCS.

Para ilustrar, mostramos os diferentes comportamentos dos diodos durante as comutações:

DIODOS SCHOTTKY São dispositivos basicamente de portadores majoritários, usados quando é necessária uma queda

de condução direta pequena em circuitos com baixa tensão de saída. Possuem baixos tempos de recuperação, podendo operar em altas freqüências.

Estes diodos possuem uma queda de tensão em condução muito baixa, tipicamente de 0,3V. Entretanto, a máxima tensão suportável por estes diodos é de cerca de 100V, sendo difícil de serem encontrados diodos Schottky para tensões reversas maiores que 45V. Além disso, as correntes de fuga



reversas são altas se comparáveis aos diodos por junção P-N. Note que, diferentemente dos diodos convencionais (mostrado em uma figura anterior), assim que a corrente se inverte a tensão começa a crescer, o que indica que esse dispositivo não possui portadores minoritários.

A aplicação deste dos diodos do tipo Schottky ocorre principalmente em fontes de baixa tensão, nas quais as quedas sobre os retificadores são significativas. As duas características do diodo Schottky que fazem ele ser um ganhador no mercado se comparado com retificadores de junção PN em aplicações de fontes chaveadas é a sua queda direta baixa e ausência de recuperação reversa devido a portadores minoritários. A ausência de portadores minoritários significa uma redução significativa das perdas de comutação. Talvez não menos importante, é o as oscilações de tensão quando do bloqueio que são menores se comparadas com aquelas dos diodos de junção PN, fazendo com que os circuitos Snubbers sejam menores e menos dissipativos ou mesmo desnecessários. A queda de tensão menor dos diodos Schottky, se comparadas com as dos diodos de Junção PN, resulta em um maior rendimento e menores dissipadores.

CIRCUITO EQUIVALENTE

Para a maioria das aplicações, a resistência rav é suficientemente pequena para ser desprezada em comparação aos outros elementos do circuito.

Circuito equivalente simplificado para o diodo semicondutor de silício



APLICAÇÃO DO DIODO Em geral, um diodo esta “ligado” se a corrente estabelecida pelas fontes é tal que sua direção esta no mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo e VD > 0,7V para o silício VD > 0,3V para o germânico.

Para cada configuração, substitua mentalmente os diodos por elementos resistivos e note a direção resultante da corrente como sendo resultado das tensões aplicadas. Se a direção resultante esta no mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo, a condução será estabelecida através do diodo, e o dispositivo esta no estado ligado. Em seguida, caso ele esteja conduzindo, substitua-o por seu modelo equivalente. Quando a corrente torna-se negativa o diodo bloqueia-se, comportando-se como circuito aberto.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo1: Determinar I, V1, V2 e V0 para a configuração abaixo. As fontes são desenhadas, e o

sentdio da corrente é indicado. O diodo esta conduzindo, e a notação utilizada é incluída para indicar este estado.



Notação

Exemplo 2: Determinar I1, I2 e ID2, para o circuito abaixo.

Exemplo 3 Seja o circuito da Figura 0.10, determine os etapas de operação, bem como as

principais formas de ondas do circuito. Considere que os parâmetros da Tabela I



VR

UVB

O circuito apresenta duas etapas de operação que são definidas a partir do estado do diodo, conduzindo e bloqueado. Etapa 1 . Duração q1 <wt< q2: Em wt=q1 a tensão sobre o diodo, vak, tornasse positiva levando o diodo entrar em condução. As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são:

vak = 0 V iD =(v-vB )/ R

vR = v O ângulo q1 pode ser obtido a partir do instante que a tensão sobre o diodo torna-se zero

Por outro lado ângulos q2 pode ser obtido do instante que a corrente sobre o diodo passa por

zero, ou seja:

Etapa 2 . Duração q2 <wt< 2 p+q1. : Em wt =q2 a corrente no diodo , iD, torna-se negativa, devido a v torna-se menor que vB, levando o diodo entrar em bloqueio. As principais equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são:

vak = v-vB

iD =0 vR = vB



(f ile Circuito_com_diodo_01.pl4; x-v ar t) v :V

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-350

-175

0

175

350[V]

Tensão da fonte

(f ile Circuito_com_diodo_01.pl4; x-v ar t) v :V -VR

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-450

-350

-250

-150

-50

50[V]

Tensão no diodo

(f ile Circuito_com_diodo_01.pl4; x-v ar t) factors:offsets:

10,00E+00

v :VR 10,00E+00

v :VB -VR -10,00E+00

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-100

0

100

200

300

400[V]

Tensão Vr+Vb (vermelho) e Tensão no resistor (verde)

Exemplo 2: Seja o circuito da Figura abaixo, determine os etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito.

VR

L

v =V sin(wt)



Vamos assumir inicialmente quer o circuito apresente um comportamento periódico e que a corrente no indutor em t = 0 seja nula. Logo o circuito apresenta duas etapas de operação dependendo do estado de condução do diodo. Etapa 1 . Duração 0 <wt< q1: Em wt = 0 a tensão sobre o diodo, vak, torna-se positiva levando o diodo entrar em condução. O circuito equivalente dessa etapa da mostrado na Figura (a) a seguir. As equações que descrevem o comportamento do circuito nessa etapa são:

O final dessa etapa ocorre em wt= q1 quando a corrente torna-se zero. Logo q1 pode ser obtido da solução da seguinte equação para q1

Solucionando numericamente a equação acima temos



Pode der observado que na medida que a carga torna-se mais indutiva a®0 a duração da etapa 1 estendem-se no semi-ciclo negativo da rede, por outro lado quando a carga torna-se mais resistiva a®¥ a duração da primeira etapa aproxima-se do final do semi-ciclo positivo da rede. Etapa 1 . Duração q1 <wt< 2pi: Nesta etapa o diodo encontra-se bloqueado, a corrente no circuito é zero. A seguir são mostrados resultados de simulação para ilustrar o comportamento do circuito

(f ile circuito_com_diodo_02.pl4; x-v ar t) factors:offsets:

10,00E+00

v :V 0,10,00E+00

c:VL - 10,00E+00

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-35.0

-17.5

0.0

17.5

35.0

Tensão da rede, v/10,(vermelho) e corrente na carga (A) (verde)


10,00E+00

v :VR 0,10,00E+00

c:VL - 10,00E+00

0.10 7.08 14.06 21.04 28.02 35.00[ms]-50

-25

0

25

50

Tensão na Carga / 10 (vermelho), e corrente de carga (verde).




10,00E+00

v :V -VR 0,10,00E+00

c:V -VR 10,00E+00

0.10 7.08 14.06 21.04 28.02 35.00[ms]-50

-36

-22

-8

6

20

Tensão sobre diodo vak /10 (vermelho) e corrente no diodo (verde).

RESUMO

A corrente no diodo reverte por um tempo de recuperação reversa rrt . Em muitos circuitos, a corrente de recuperação reversa não afeta a característica do conversor e o diodo pode ser considerado ideal.

Tipos de diodos

· Schottky

Baixa queda de tensão (0,3V) e baixa tensão reversa de bloqueio (100V).

· De rápida recuperação

Pequeno rrt (poucos ms na faixa de centenas de volts e centenas de ampères).

· De freqüência da rede

Baixa queda de tensão e grande rrt .

Tensão reversa de bloqueio de vários kV e corrente nominal de vários kA.



TRANSISTOR BIPOLAR O princípio do transistor é poder controlar a corrente. É constituído por duas junções PN

(junção base-emissor e junção base-colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C)

N – Material semicondutor com excesso de electrões livres

P – Material semicondutor com excesso de lacunas

A seta do símbolo define o sentido de condução da corrente. Para que o transístor bipolar conduza é necessário que seja aplicada na Base uma corrente mínima (VBE ≥ 0,7 Volt), caso contrário não haverá passagem de corrente entre o Emissor e o Colector.

Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e pode amplificar a corrente

que passa do emissor para o colector.

Polarizando diretamente a junção base-emissor e inversamente a junção base-coletor, a corrente

de coletor IC passa a ser controlada pela corrente de base IB.



· Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de colector IC e vice-versa.

· A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variação de IB provoca uma grande variação de IC, isto significa que a variação de corrente de coletor é um reflexo amplificado da variação da corrente na base.

· O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja considerado um dispositivo ativo.

Este efeito de amplificação, denominado ganho de corrente pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação de corrente do coletor e a variação da corrente de base , isto é:

TENSÕES E CORRENTES NOS TRANSISTORES NPN E PNP



VCE – Tensão colector - emissor

VBE – Tensão base – emissor

VCB – Tensão colector - base

IC – Corrente de colector

IB – Corrente de base

IE – Corrente de emissor

VRE – Tensão na resistência de emissor

VRC – Tensão na resistência de colector

Rc

Rb

+

IC

IE

IB

Considerando o sentido convencional da corrente e aplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relação das correntes num transístor bipolar

IE = IC + IB

Símbolo

Característica i x v

Característica Idealizada



CONFIGURAÇÕES BÁSICAS

Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), Emissor comum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a saída do circuito.

Configuração BC

· Ganho de corrente menor que 1

· Ganho de potência intermediário

· Impedância de entrada baixa

· Impedância de saída alta

· Não ocorre inversão de fase

Configuração CC

· Ganho de tensão menor que 1

· Ganho de corrente elevado;

· Ganho de potência intermediário

· Impedância de entrada alta

· Impedância de saída baixa

· Não ocorre a inversão de fase.

Configuração EC

· Ganho de tensão elevado

· Ganho de corrente elevado

· Ganho de potência elevado

· Impedância de entrada baixa

· Impedância de saída alta

· Ocorre a inversão de fase.

Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência a configuração emissor comum. Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Nesta curva, para cada valor constante de VCE, variando-se a tensão de entrada VBE, obtém-se uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico com o seguinte aspecto.



Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a tensão entre a base e o

emissor. Para cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída VCE, obtém-se uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto.

Através desta curva, podemos definir três estados do transistor, o CORTE, a SATURAÇÃO e a

DATIVA

· CORTE: IC = 0 · SATURAÇÃO: VCE = 0 · ACTIVA: Região entre o corte e a saturação.

Para a configuração EC a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada determina o ganho de corrente denominado de b ou hFE (forward current transfer ratio).

O ganho de corrente b não é constante, valores típicos são de 50 a 900.



POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES

Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou como oscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.

Para o transístor estar correctamente polarizado a junção PN base – emissor deve ser polarizada directamente e a junção base – colector deve ser polarizada inversamente.

Regra prática:

O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.

A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.

O Colector é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.

Emissor Base Colector Emissor Base Colector

P N P N P N

+ - - - + +

+

Rc

Rb

_

Rc

Rb

+

_

Rb – Resistência de polarização de base

Rc – Resistência de colector ou resistência de carga

PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE)

Os transistores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão, ou como elementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações, o transistor deve estar polarizado corretamente.

Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suas curvas características. Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou altiva da curva característica de saída.

Os pontos QA, QB e QC da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas.

QA: Região ativa

QB: Região de saturação

QC: Região de corte



A reta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos de operação possíveis para uma

determinada polarização. Podemos defini-la a partir de dois pontos conhecidos.

Desta forma, quando operando na região ativa ou região de amplificação o transistor opera como amplificador, isto é , existe linearidade entre as suas correntes valendo a seguinte relação IC = b.IB, isto é, a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base, se IB dobrar de valor IC também dobra. A constante de proporcionalidade b (beta) é um dos parâmetros do transistor muitas vezes encontrado nos manuais como hFE, sendo que o seu valor não é o mesmo para um determinado tipo de transistor podendo variar numa razão de 1:5 para um mesmo tipo de transistor.

Na região de corte todas as correntes são aproximadamente nulas (nA para transistor de Sí e mA para transistor de Ge) e o transistor comportará como uma chave aberta.

Para cortar um transistor basta fazer VBE £ 0 para transistor de Sí ou VBE£ -0,4V para transistor de Ge (caso orientação em contrário neste livro usaremos sempre transistor de Sí ). A figura a seguir mostra um transistor polarizado no corte e o modelo equivalente simplificado (chave aberta).



Quando saturado o transistor simula um chave fechada. A corrente de coletor é constante valendo a seguinte relação entre IC e IB em um transistor saturado: IC £ b.IB.

Para saturar um transistor a corrente de base deve ser maior ou pelo menos igual à um determinado valor especificado pelas curvas características de coletor. A figura abaixo mostra um transistor saturado e o circuito equivalente (chave fechada).

Para compreenderemos melhor como um transistor passa do corte para a saturação ou vice-versa, consideremos a configuração emissor comum e as curvas características de coletor mostradas na figura a seguir.

Inicialmente com VBB = 0 e como IB = (VBB - VBE)/RB @ VBB/RB o transistor estará cortado, isto é, IB= 0 e IC = 0 o ponto de operação estará localizado abaixo da reta de carga, e nestas condições VCE = VCC o transistor se comportará como uma chave aberta, existirá apenas uma pequena corrente de fuga da ordem de nA, caso o transistor seja de Sí. Aumentando VBB, aumentaremos IB ( não esqueça IB = VBB/RB) e o transistor entra na região ativa, onde IC = b.IB. Se IB aumentar, IC aumenta na mesma proporção, porém existe um valor de IB para o qual um



aumento adicional em IB não provocará aumento em IC, dizemos que o transistor saturou.. A saturação é, portanto caracterizada por IC £ b.IB, onde

IC =VCC/RC é a corrente de coletor na saturação (estamos admitindo que VCE = 0). Para saturar deve ser observada a condição B ³IC/b=VCC/b.RC. Como já foi dito, na prática, o valor de b pode variar muito de transistor para transistor, de um mínimo (bmin) até um máximo (bMáx), para garantir a saturação do transistor devemos usar o bmin.

CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES

Uso Geral

Pequenos Sinais Baixas Frequências Correntes IC entre 20 e 500mA Tensão máxima entre 10 e 80 V Frequência de transição entre 1 Hz e 200 MHz

Potência

Correntes elevadas Baixas frequências Correntes IC inferior a 15A Frequência de transição entre Uso de radiadores de calor

RF

Pequenos sinais Frequência elevada Correntes IC inferior a 200mA Tensão máxima entre 10 e 30V; Frequência de transição em 1,5 GHz



CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Utilizando o código alfanumérico do transístor podem-se obter as suas características técnicas por consulta de um data book ou de um data sheet do fabricante.

IC É a máxima corrente de colector que o transístor pode suportar. Se este parâmetro for excedido o componente poderá queimar.

VCEO Tensão máxima colector – emissor com a base aberta.

VCBO Tensão máxima colector – base com o emissor aberto.

VEBO Tensão máxima emissor – base com o colector aberto.

hFE ou b Ganho ou factor de amplificação do transístor.

hFE = IC : IB

Pd Potência máxima de dissipação.

fT Frequência de transição (frequência para a qual o ganho do transístor é 1 ou seja, o transístor não amplifica mais a corrente).

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

Exemplo 1: Dada a curva característica do dispositivo, determinar VCC, RB e RC para a configuração indicada

Da reta de carga, tem-se:



Valores comerciais de resistores:

RC = 2,4kW

RB = 2,4kW

Utilizando os valores comerciais resulta em:

IB = 41,1 µA (que esta dentro da faixa de tolerância de 5% do valor especificado)

Exemplo 2: Dada que ICQ = 2mA e VCEQ = 10V, determine R1 e RC para o circuito abaixo



Os valores comerciais mais próximos a R1 são 82kW e 91 kW. Entretanto, utilizando a combinação série dos valores comerciais 82kW e 4,7kW = 86,7kW resulta em um valor muito próximo ao valor de projeto.

Exemplo 3: calcular R4 e R3 no circuito para que o transistor sature com IC = 10mA. Considerar transistor de Si com bmin = 100 , VBesat = 0,7V e VCesat = 0.

Solução: ICsat = 10mA =VCC/RC logo R3 =12V/10mA =1K2

Para saturar IB ³ ICsat / bmin = 10mA /100 = 0,1mA adotando IB = 0,2mA e como R4 = (VBB - VBE)/IB = (5 – 0,7)/0,2mA = 21,5K adotamos o valor comercial imediatamente abaixo (aumenta mais ainda a garantia se saturação ) no caso R4 = 18K.

Exemplo 2: Dimensionar R2 para o transistor acionar o relê . Dados: Relê 12V/40mA bmin =100 VBesat= 0,7V.

Solução: ICsat = 40mA para saturar o transistor IB³ ICsat/ bmin = 40mA/100 = 0,4mA.



Por outro lado R2 £ (12 – 0,7)/0,4 = 11,3V/0,4mA = 28,25K e para dar uma garantia adicional adotamos R2 = 15K. Obs: a finalidade do diodo em paralelo com a bobina do diodo é eliminar a fcem gerada na bobina quando o transistor corta.

RESUMO

· Corrente de base necessária para condução plena

FE

CB h

II >

onde FEh é o ganho de corrente CC do dispositivo

O ganho de corrente CC é usualmente de 5 a 10 em transistores de potência



Configuração Darlington

Características

· Tempo de chaveamento típico na faixa de poucas centenas de ns

· Correntes de centenas de ampères, tensões de bloqueio de até 1,4kV

· Coeficiente de temperatura da resistência de condução negativo

TIRISTORES O tiristor conhecido também como SCR ( silicon-controlled rectifier ) é um retificador de silício

que funciona essencialmente como um interruptor estático unidireccional, isto é, abre ou fecha um circuito através da aplicação de uma pequena tensão num dos seus terminais, não possuindo por isso qualquer contato mecânico, o que tem como vantagem um grande aumento do seu tempo de vida útil. Utiliza-se fundamentalmente no controlo de potência, quer em circuitos de corrente contínua quer de corrente alternada.

Permite não só retificar uma corrente alternada mas também controlar a corrente que passa por ele e pela carga ligada em série com ele.



SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Como pode ser visto, o SCR assemelha-se a um diodo com um terminal de controle. Como um

díodo, só conduz corrente no sentido do ânodo para o cátodo, mas apenas quando lhe aplicamos um sinal de tensão no terminal chamado GATE. Na figura seguinte podemos ver um esquema que representa o seu circuito equivalente.

O estudo dos tiristores deve começar pelo dispositivo que origina toda a familia, o diodo de

quatro camadas ou diodo Shockley ( não confundir com o diodo Schottky, diodo com duas camadas e usado para altas freqüências). As figuras a seguir mostram a estrutura e curva característica.



Com polarização reversa o diodo se comporta como um diodo comum, apresentando altíssima resistência. Se a tensão reversa exceder a tensão de breakdown (UBK) o diodo será destruído. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que um valor chamado de tensão de breakover (UBO). Acima deste valor o dispositivo dispara passando a conduzir, somente voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH).

Qualquer mecanismo que provoque um aumento interno de corrente pode disparar a estrutura de 4 camadas, dentre eles temos:

· Aumento de temperatura · Incidencia de radiação luminosa (LASCR) · Taxa de variação de tensão (dv/dt) · Injeção de corrente

O tiristor pode mudar de estado de condução com aplicação de um pulso de corrente na porta (gate) quando a tensão vak for positiva. Uma vez em condução, ele continua em condução mesmo que corrente de gate seja removida. Neste estado o tiristor comporta-se como um diodo. Somente quando a corrente IA, que é governada pelo circuito externo, torna-se negativa é que o tiristor retorna ao estado bloqueado.

(a) Símbolo e (b) Característica ideal de um tiristor

O ânodo deverá estar positivo em relação ao cátodo. Se não enviarmos qualquer sinal de GATE

ao SCR, este permanecerá bloqueado pois nenhum dos transistores estará em condução. Enviando um curto impulso de tensão entre a GATE e o CÁTODO o transistor T1 receberá na sua base uma corrente que será amplificada β vezes no coletor. Esta corrente de coletor colocará o transistor T2 em condução. Por sua vez a condução de T2 (corrente no coletor, IC2) fará com que exista corrente na base de T1 mantendo-o em condução.



De notar que se o SCR estiver inversamente polarizado, não entrará em condução de forma

alguma pois a corrente não poderá contrariar o sentido das correntes dos transistores.

REGIÕES DE OPERAÇÃO Um SCR é basicamente um diodo de 4 camadas unilateral no qual foi colocado um terceiro

eletrodo chamado de gate (G) ou porta usado para controlar o disparo do diodo por injeção de corrente.

O SCR tem três regiões de operação, consideradas a seguir, com IG = 0 :

Bloqueio Reverso: O anodo é negativo em relação ao catodo, nessas condições o SCR se comporta exatamente como um diodo comum. Se a tensão reversa aumentar além da da tensão de breakdown (UBK ), o SCR será destruído pelo efeito avalanche.



Bloqueio Direto: O anodo é positivo em relação ao catodo, mas a tensão não é suficiente para disparar o SCR. Para disparar o SCR com o gate aberto (IG = 0 ) é necessário que a tensão de anodo atinja um valor chamado de tensão de breakover (UBO ). Se UA for menor do que UBO o SCR continuará cortado.

Condução (Disparo): Quando a tensão de anodo atingir o valor UBO, o SCR dispara, isto é, a corrente de anodo passa bruscamente de zero para um valor determinado pela resistência em série com o SCR. A tensão no SCR cai para um valor baixo (0,5V a 2V).

Fig6: SCR polarizado diretamente após o disparo

Após disparar, o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. A tensão de anodo cai para um valor baixo ( 0,5V a 1,5V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH) cujo valor depende do tipo de SCR (Por exemplo o TIC106 tem IH@ 0,5mA enquanto o TIC116 tem IH @ 15mA.

Como vimos anteriormente, um diodo de 4 camadas pode ser representado por dois transistores ligados com realimentação de um para o outro. Se adicionarmos um terceiro eletrodo, a porta, poderemos injetar corrente nesse eletrodo disparando a estrutura de 4 camadas para valores de tensão menores do que UBO. Na realidade quanto maior for a corrente injetada menor a tensão de anodo



necessária para disparar a estrutura de 4 camadas, daí o nome de Diodo controlado para esse dispositivo.

Se for injetado uma corrente na porta (gate), será possível disparar o SCR com tensões de anodo bem menores do que UBO. Quanto maior a corrente de porta injetada, menor a tensão de anodo necessária para disparar o SCR, dai o nome diodo controlado.

Após o disparo o gate perde o controle o sobre o SCR, isto é, após o disparo o gate pode ser aberto ou curto circuitado ao catodo que o SCR continua conduzindo. O SCR só volta ao corte quando a corrente de anodo cair abaixo da corrente de manutenção.

A tensão máxima que pode ser aplicada entre anodo e catodo no sentido direto com IG = 0 como vimos é chamada de UBO, mas muitas vezes é designada de VDRM esta informação muitas vezes vem codificada no corpo do SCR, por exemplo : TIC 106 Y - 30V MCR 106-1 - 30V

TIC 106 F - 50V MCR 106-2 - 60V

TIC 106 A - 100V MCR 106-3 - 100V

TIC 106 B - 200V MCR 106 –4 – 200V

TIC 106 C - 300V MCR 106 – 5 - 300V

TIC 106 D – 400V MCR 106 – 6 - 400V

Outra informação importante é a máxima tensão reversa que pode ser aplicada sem que ocorra breakdown, é designada por VRRM, tipicamente é da mesma ordem de VDRM. Os valores de corrente também devem ser conhecidos, IT, é a máxima corrente que o SCR pode manipular e pode ser especificada em termos de valor continuo ou eficaz (RMS) e depende da temperatura e do ângulo de condução (qF). Por exempo, o TIC 106 pode conduzir uma corrente continua de até 5A.

A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de mA no caso do TIC 106.



CARACTERÍSTICA TENSÃO - CORRENTE A característica U/I de um SCR traça-se dando valores de tensão entre o ânodo e o cátodo e

registrando a evolução dos valores da corrente que atravessam o SCR. O SCR tanto pode estar diretamente como inversamente polarizado, sendo o seu comportamento completamente distinto numa e noutra situação. Assim vamos analisar a característica U/I do SCR dividida em duas: CARACTERÍSTICA DIRETA VAK ≥ 0 V CARACTERÍSTICA INVERSA VAK < 0 V

Com o interruptor do circuito da gate aberto, verifica-se que, para baixas tensões ânodo-cátodo, designadas por VD, o SCR conduz apenas uma pequena corrente, ID, chamada corrente de fugas.

Continuando a aumentar o valor de VF, a corrente ID mantém-se praticamente constante, conforme se vê no gráfico. Só quando alcança um determinado valor de VD é que o SCR entra em condução e observamos então que circula uma corrente ID elevada, limitada apenas pela resistência de carga, RS. A tensão aos terminais do SCR cai para valores muito baixos. Ao valor da tensão que colocou o SCR em condução sem necessitar de impulso de gate chama-se TENSÃO DE RUPTURA NO SENTIDO DIRECTO e designa-se por VBO

Podemos ainda observar que para um grande aumento de ID o valor de VD aumenta ligeiramente, mantendo-se baixo (cerca de 1,4 V).

IH é a mínima corrente necessária que deve circular no SCR para que este, estando em condução, não passe ao estado de bloqueio. IL é a corrente mínima necessária que se estabelece no circuito no instante que o SCR vai passar de bloqueado a condutor. Esta corrente é normalmente superior a IH.

MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA ENTREGUE À CARGA

Disparo síncrono ou disparo a tensão nula O disparo do tiristor produz-se neste sistema de controle de potência entregue à carga, quando a

tensão ânodo – cátodo está a zero (daí disparo a tensão nula). A carga e o tirístor estão ligados em série com a alimentação da corrente alternada e só pode

passar corrente na carga durante os semicíclos em que o ânodo é positivo em, relação ao cátodo e na porta (ou gate) se aplica um impulso positivo de corrente. O impulso na gate (ou porta) controla o período de condução do tirístor.

Se na porta se aplicarem impulsos positivos de corrente que coincidam com o início de cada semicíclo positivo, o tirístor conduzirá todos os semicíclos positivos



Controlo de fase Enquanto que no disparo síncrono os impulsos de corrente aplicados na porta coincidem com o

início de todos ou de alguns dos semicíclos positivos, no controlo de fase os impulsos da corrente de disparo têm lugar dentro de cada semiciclo positivo da tensão de alimentação. O ângulo a para o qual se inicia a condução designa-se por ângulo de disparo, enquanto o ângulo q durante o qual o tirístor se encontra à condução denomina-se de ângulo de condução.

Disparo por CC - Carga CA Como foi visto anteriormente, quando o disparo é em CC com carga CC , é necessário circuito

de reset para cortar o SCR, ao mesmo tempo não é necessário manter corrente no gate. Quando o disparo é por corrente contínua (CC) mas a carga é CA, para manter o SCR conduzindo é necessário



manter sinal no gate, pois se o sinal de gate for retirado, o SCR cortará quando a tensão de anodo passar por zero. A figura (a) abaixo mostra um circuito com disparo CC e carga CA e a figura (b) a forma de onda na carga quando a chave CH é fechada num instante t1 e aberta em t2.

( a )

( b )

No circuito da figura (a) podemos observar que, ao fechar a chave o SCR só disparará se a tensão de anodo for positiva. A partir desse instante toda a tensão da rede cairá sobre a carga e a tensão no SCR será de aproximadamente 1V. Se a carga for resistiva podem ocorrer picos de corrente excessivamente altos os quais podem destruir o SCR e/ou a carga. Para evitar isso é que existem circuitos que só disparam o SCR quando a tensão da rede for próxima de zero, chamados de ZVS ( Zero Voltage Switch ).

Disparo CA - Carga CA - Retificador Controlado Meia Onda No disparo por CA a alimentação de anodo e de gate é obtida da mesma fonte senoidal. O

controle de disparo é feito controlando-se o instante (ou o ângulo de disparo) em que o SCR é gatilhado no semi-ciclo positivo. Para melhor compreensão vamos supor que o SCR da figura abaixo entra em condução no instante que a tensão de entrada estiver passando por um angulo de fase qF, chamado de ângulo de disparo. A condução começa nesse ponto e termina quando a tensão de anodo cair abaixo da tensão de manutenção, UH, que consideraremos desprezível face à tensão de pico da rede, VM.A figura (b) a seguir mostra as principais formas de onda.



( a )

( b )

A tensão na carga tem um valor médio (V DC) e um valor eficaz (V RMS) que podem ser calculados usando o calculo diferencial e integral. Através do cálculo diferencial e integral pode-se demonstrar que a tensão média (contínua ) na carga é calculada por :

VDC = = tensão média (contínua ) na carga

Fica como exercício para o aluno a demonstração.

Obs: A tensão média é a tensão que será medida por um voltímetro CC.

Por exemplo se qF = 0º resulta VDC= e a forma de onda corresponde à forma de

onda de um retificador meia onda com diodo comum.



Se qF = 180º resulta VDC = 0, isto é , não existe tensão na carga.

Por cálculo integral também obtém-se a expressão que dá a tem eficaz (VEF ou VRMS) na carga:

VRMS = = tensão eficaz na carga

Por exemplo se qF = 0º VRMS = que é igual ao mesmo valor da tensão

do retificador de meia onda.

Se qF = 180º VRMS = 0

Obs: A tensão eficaz está relacionada à potência dissipada na carga

Exercício Resolvido

Considere que no circuito da figura (a) acima o ângulo de disparo é 60º e que RL=100W. Calcular : a) Tensão e corrente contínua na carga b) Potência dissipada na carga

Dados : ve =110, senwt(V)

Solução: a) qF = 60º, cos60º = 0,5 VM =110. senwt(V

logo IDC = 37V/100W =0,37A

= . = 75V

PD = = = 56,25W

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 1 Determine os etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito.



No circuito v =V sin(wt) e os pulsos de corrente de gate para is tiristores T1 e T2 estão em

sincronismos com a rede como mostrado na figura abaixo. Topo: Tensão da Rede; Meio: Pulsos para gerar a corrente de gate do Tiristor 1. Baixo: Pulsos para gerar a corrente de gate do Tiristor 2.

(file Circuito_com_SCR.pl4; x-var t) factors:offsets:

10,00E+00

t: SCR1 10,00E+00

t: SCR2 10,00E+00

v:V 0,010,00E+00

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]

-3.500

-2.625

-1.750

-0.875

0.000

0.875

1.750

2.625

3.500Tensão da fonte (azul). Pulso 1(vermelho). Pulso 2(verde)

Vamos assumir inicialmente quer o circuito apresente um comportamento periódico e que a

corrente no indutor em wt = a seja nula. Como possivelmente essa hipótese poderá ser violada, vamos chamar desse modo de operação de MODO 1. Logo o circuito, no Modo 1, apresenta duas etapas de operação dependendo do estado de condução dos tiristores. Etapa 1 . Duração 0 <wt< a. Em wt = 0 a tensão sobre o tiristor T1, vak1, torna-se positiva. Entretanto como não há pulso de corrente no gate o tiristor opera com um circuito aberto. O circuito equivalente é mostrado na Figura abaixo. Esta etapa finaliza em wt=a com a entrada em condução de T1.



Etapa 2 . Duração a <wt< q1. Em wt = a a tensão sobre o tiristor T1, vak1, é positiva e este recebe um pulos de corrente no gate, entrando assim em condução. O circuito equivalente é mostrado na Figura abaixo.



Note que se q'1 for maior que 180º a hipótese inicial que a corrente no indutor é nula em wt

= a não é mais válida. Neste caso, o circuito passa a operar em um outro modo de operação, aqui denominado de Modo 2 de operação.



Formas de onda do gradador. V=311 V, w=377 rad/s; R =10 W, L = 100mH. (a) Tensão da rede,

v/10, e corrente na carga (A). (b) Tensão na Carga / 10 , e corrente de carga. (c) Tensão sobre diodo vak /10 e corrente no diodo. e d = 0,265



RESUMO



· Disparo

O tiristor é ligado por aplicação de corrente de gatilho positiva.

· Condução

Queda de tensão de 1 a 3V (depende da tensão de bloqueio).

Uma vez conduzindo, a corrente de gatilho pode ser removida.

· Bloqueio

O tiristor não pode ser desligado pelo gatilho (conduz como um diodo).

Em polarização reversa, apenas uma corrente desprezível flui no tiristor.

Exemplo



· Tiristor ideal

Quando a corrente no tiristor tenta reverter, ela se torna zero imediatamente.

· Tiristor real

A corrente no tiristor reverte antes de se tornar zero.

Tempo qt : passagem por zero da corrente até a passagem por zero da tensão.

Se uma tensão direta é aplicada ao tiristor durante qt , ele pode ligar.

Tipos de tiristores

· Tiristores para controle de fase.

Correntes de até 4kA, tensões de bloqueio de até 7kV.

Queda de tensão de 1,5V (dispositivo de 1kV) a 3V (dispositivo de 7kV).

· Tiristores para inversor

Correntes de até 1,5kA, tensões de bloqueio de até 2,5kV.

Tempo qt de até 100ms (depende da tensão de bloqueio e da queda de tensão).

· Tiristores ativados por luz

Ligados por um pulso de luz guiado por fibra óptica.

Correntes de até 3kA, tensões de bloqueio de até 4kV.

Queda de tensão de 2V e potência do circuito de gatilho de 5mW.



MOSFET

Power FETs ou Power MOSFETS são FETs especiais projetados para conduzir altas correntes sob regime de altas tensões. Esses FETs são encontrados em muitas aplicações modernas no controle de motores, solenoides e outras cargas de alta potência. A estrutura e o princípio de funcionamento do mosfet de potência é a mesma dos MOSTFETs comuns exceto pela sua alta capacidade de controle. Assim, as principais diferenças estão no tamanho da pastilha de material semicondutor de silício e no processo de fabricação.

A principal vantagem encontrada no emprego dos MOSFETs em muitas aplicações está no fato de que, quando conduzindo eles apresentam uma resistência extremamente baixa entre o dreno e a fonte (chamada Rds). Como o dispositivo praticamente não têm resistência ao conduzir, a quantidade de calor que ele dissipa é mínima. Esse fato permite que ele controle correntes muito intensas praticamente sem dissipar calor. MOSFETs de potência comuns podem controlar correntes de dezenas e até centenas de ampères dissipando um mínimo de calor. Na figura abaixo temos os símbolos adotados para representar os dois principais tipos de MOSFETs de potência assim como os aspectos.

O MOSFET é um dispositivo controlado pela tensão, como indicado na curva característica

i – v apresentada acima. O dispositivo é totalmente ligado e se aproxima de uma chave fechada quando a tensão gate-fonte é menor que o valor de referência, VGS(th).

O MOSFET necessita uma aplicação contínua de uma tensão gate-fonte em um valor apropriado para manter o dispositivo ligado. Nenhuma corrente circula pelo gate, exceto durante a transição d condição de ligado para desligado ou vice-versa quado as capacitâncias estão carregadas ou descarregadas. O tempo de mudança de estados são muito rápidos, variando de cerca de dezenas de nanossegundos até centenas de nanossegundos, dependendo do dispositivo.

Devido a rápida velocidade de chaveamento, as perdas durante o chaveamento podem sem bem pequenas. A seguir apresnetamos as principais características dos MOSFET

· Dispositivo controlado por tensão · Aplicação contínua de sinal de gatilho para se manter conduzindo · Corrente de gatilho nula, exceto durante bloqueio ou disparo · Tempos de chaveamento típico na faixa de dezenas de ns: baixas perdas

· A resistência de condução cresce com a tensão de bloqueio DSSBV

o 7.25.2

)(-= DSSonDS kBVr

o onde k é uma constante que depende da geometria do dispositivo.



· MOSFETs de 300-400V competem com BJTs se a freqüência de chaveamento for superior a 30kHz

· Disponíveis para 1000V (baixa corrente) ou até 100A (baixa tensão) · Coeficiente de temperatura da resistência de condução positivo

MOSFETS (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FET) TIPO DEPLEÇÃO O MOFET, como os BJT, é um semicondutor totalmente controlado. A característica estática de

um MOSFET ideal é mostrada na figura abaixo. O MOSFET pode conduzir corrente somente em uma direção, e quando em estado bloqueado, suporta somente tensões positivas, ou seja, id>0 e vDS>0. Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte, vGS, o MOSFET entra em condução. Com a remoção da tensão vGS o MOSFET volta ao estado bloqueado.

(a) Símbolo e (b) Característica ideal de um MOSFET.

Um transistor MOSFET (FET com gate a metal-óxido-semicondutor) é parecido com um JFET, porém seu terminal de gate é isolado do semicondutor por um óxido, razão de seu nome, não tendo, portanto, a junção que caracteriza aquele. Um MOSFET pode ser de dois tipos: depleção ou crescimento.

A figura abaixo mostra a estrutura e o símbolo de um MOSFET tipo depleção, tanto de canal N como de canal P. O funcionamento é o mesmo para os dois transistores, independentemente do canal. Apenas as polaridades são invertidas bem como o sentido das correntes. Assim explicaremos apenas o funcionamento para o transistor canal N. Ele recebe este nome porque o canal, caminho que liga o source ao dreno, é constituído de cristal tipo N.

O substrato é geralmente ligado ao source de modo a polarizar a junção drenosubstrato

reversamente, uma vez que a tensão no dreno é positiva em relação ao source. Observe que fazendo



isso temos uma junção, ou seja, um diodo, conectado reversamente entre dreno e source. Isso significa que quando polarizado reversamente (dreno negativo em relação ao source) o MOSFET conduz.

Supondo o MOSFET canal N polarizado diretamente (dreno positivo em relação ao source), se aplicarmos uma tensão negativa no gate em relação ao source, é criado um campo elétrico no gate, que repele os elétrons do canal, diminuindo sua condutividade, aumentando a resistência dreno-source. Se aumentarmos a tensão no gate, chega um ponto em que todo o canal foi extinto e o transistor deixa de conduzir. Esta tensão é chamada de Vp (tensão de pinch-off), da mesma forma que para um JFET. Aliás todo o comportamento descrito até aqui é similar ao de um JFET, com a diferença de que, devido ao óxido (que é um isolante) a resistência da gate de um MOSFET é ainda maior do que a de um JFET, sendo sua corrente de gate perfeitamente desprezível.

Entretanto, diferentemente de um JFET, já que não existe mais a junção do gate, tensões positivas podem ser aplicadas ao gate em relação ao source. Se fizermos isso, elétrons serão atraídos para o canal, aumentando sua condutividade. Quanto maior a tensão aplicada ao gate, maior é a condutividade do canal e, portanto, menor a resistência drenosource. A figura abaixo mostra as curvas características de um MOSFET tipo depleção canal N. Repare que ela é muito parecida com as de um JFET, podendo, no entanto, trabalhar com Vgs positivo.

MOSFET TIPO CRESCIMENTO O fato do MOSFET tipo depleção conduzir com Vgs=0 (sem tensão entre gatesource) é

indesejável quando se deseja que o mesmo trabalhe como uma chave, já que o sinal em seu gate teria de ter valores positivos e negativos. Assim foi desenvolvido um segundo tipo de MOSFET, chamado de tipo crescimento. A figura abaixo mostra a estrutura e o símbolo para um MOSFET tipo crescimento tanto para um canal N como para um canal P. Novamente, devido a complementaridade do funcionamento, explicações serão dadas apenas para o MOSFET canal N.



Primeiramente notamos que o canal agora não mais é formado por um cristal N, mas sim por

um acumulo de elétrons dentro do próprio substrato P. Assim, se nenhuma tensão ou se uma tensão negativa é aplicada ao gate em relação ao source, não há a formação do canal e a resistência dreno-source é muito grande, ou seja, o MOSFET não conduz.

Se aplicarmos agora uma tensão positiva no gate em relação ao source, elétrons são atraídos para a região próxima ao gate, dando início à formação da canal. Entretanto, enquanto esta tensão não for maior que um determinado valor, chamado de tensão de limiar (Vt, tensão de threshold), o canal ainda não consegue ligar o cristal N do dreno ao cristal N do source e o MOSFET não conduz, isto é, a resistência dreno-source é muito alta. A partir deste valor, o canal já está formado e apenas aumenta a medida que Vgs aumenta, diminuindo cada vez mais a resistência dreno-source. Este comportamento é mostrado na figura a seguir.

Para que um MOSFET trabalhe como uma chave, basta aplicarmos uma tensão suficientemente alta entre gate e source, quando desejarmos que ele conduza, e aplicarmos uma tensão nula para que ele entre no corte. Entretanto, para apressar a descarga de sua capacitância de gate e, portanto, acelerar seu desligamento, normalmente é aplicada uma tensão Vgs negativa para levá-lo a não condução.

O nome crescimento vem do fato do canal sempre crescer a medida que polarizamos seu gate.

MOSFETS de potência são geralmente do tipo crescimento e canal N, devido a sua maior velocidade. Aliás, a rapidez dos MOSFETs é sua principal vantagem em relação aos outros componentes. As principais desvantagens dos MOSFETS são sua resistência quando em condução, maior que a dos transistores bipolares e dos tiristores, e a necessidade de um maior cuidado em seu manuseio, pois facilmente a sua camada de óxido pode se romper. Porém, já existem hoje famílias de dispositivos com baixa resistência de condução e bem mais resistentes ao rompimento de seu óxido.



MOSFETs, a princípio, não necessitam de corrente em seus gates. Porém, devido a capacitância entre o terminal de gate e o semicondutor, inicialmente uma corrente deve ser fornecida de modo a carregar esta capacitância (para entrar em condução) ou descarregá-la (para deixar de conduzir). Assim, o circuito básico para acionamento de um MOSFET é mostrado na figura abaixo. O resistor R1 tem a função de limitar a corrente no gate e seu valor é normalmente pequeno (algumas dezenas de ohm) para que a constante de tempo de carga e descarga da capacitância de gate seja pequena. A tensão Ve pode apresentar uma tensão negativa em lugar de uma tensão nula para que mais rapidamente o MOSFET deixe de conduzir. Quando isso não ocorre, normalmente é colocado um diodo em paralelo com R1 para acelerar a descarga da capacitância de gate.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 3 determine as etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito, assumindo que:



O objetivo desse exemplo é determinar quais as restrições que devem ser satisfeitas para o

circuito opere como as hipóteses realizadas. É razoável assumir que o circuito apresente uma freqüência de operação constante devido a natureza da tensão de gate-source, vgs . Ainda, quando vgs =10 V, o MOSFET conduz e o diodo é bloqueado, uma vez que vin >0. O circuito equivalente é o mostrado abaixo, e esta etapa será chamada de Etapa 1.



GTO O símbolo e as características i – v em regime permanente para o GTO são mostrados na figura

abaixo.

Todos os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente de manutenção, o

que exige circuitos especiais de desligamento em certos casos. O GTO permite o desligamento pelo gate, por pulso negativo de alta corrente, daí o nome (Gate Turn Off, desligamento pelo gate).

Assim como o tiristor, o GTO pode ser ligado por um pulso de corrente ao gate de curta duração, e uma vez ligado, o GTO pode ficar sem nenhuma corrente ao gate. Entretanto, diferente do tiristor, o GTO pode ser desligado aplicando uma tensão negativa entre o gate-catodo, causando assim um fluxo considerável de corrente negativa ao gate. Esta corrente negativa ao gate necessita circular apenas por uns poucos microssegundos, mas tem que tem que ter uma grande magnitude.

Se aplicarmos um impulso positivo na gate o tirístor conduz, se aplicarmos um impulso negativo na gate o tirístor deixa de conduzir. Todos os tirístores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente mínima de manutenção (IH), o que exige em certos casos circuitos especiais para desligar. O GTO permite ser desligado por impulso negativo de alta corrente na gate, em geral produzido através da descarga de um condensadorEstruturalmente, é similar ao SCR, mas a dopagem e a geometria da camada do gate permite minimizar o sobre-aquecimento durante o desligamento (o que destruiria um SCR). O desligamento é feito em geral através de descarga de um capacitor.

O GTO, Gate Turn Off Thyristors, é um dispositivo moderno que pode ser desligado pelo gate. O contato de gate e do catodo são interdigitados, de forma que toda a junção gate-catodo pode ser reversamente polarizada durante a transição de bloqueio.

O ganho de desligamento do GTO é a razão entre a corrente negativa de gate e a corrente necessária para levar o dispositivo ao bloqueio. Valores típicos de ganho são de 2 a 5. Isto significa que várias centenas de ampares de corrente de gate negativa são necessários para bloquear um GTO de 1000 A.

A figura abaixo mostra formas de onda típicas de um GTO.



A seguir apresentamos as principais características dos GTO:

· Gatilho por pulso de corrente de curta duração

· Uma vez conduzindo, o sinal de disparo pode ser retirado

· Pode ser desligado pela aplicação de tensão gatilho-catodo negativa

· Corrente negativa necessária dura poucos ms, mas deve ter alto valor

· Capacidade de bloqueio de tensão reversa

· Devido à baixa suportabilidade a dv/dt, não podem desligar correntes indutivas sem um circuito

snubber



· Queda de tensão típica sob condução 2 a 3V

· Tempo de chaveamento típico 25ms

· Correntes nominais de poucos kA, tensões nominais de até 4,5kV

· Altas tensões e grandes correntes em freqüências de até 10kHz

IGBT O símbolo e as características i – v para o IGBT são apresentadas a seguir:

Um IGBT (transistor bipolar de gate isolado) é um componente que junta as principais

vantagens de um transistor bipolar, um MOSFET e um tiristor. O IGBT possui baixa resistência de condução, como um transistor bipolar. Possui alta velocidade e facilidade de acionamento, como um



MOSFET. E pode suportar grandes tensões reversas, como um tiristor. O IGBT tem alta impedância de gate, a qual requer apenas uma pequena quantidade de energia para chavear o dispositivo.

O IGBT é um dispositivo semicondutor moderno de quatro camadas de gate isolado. Pode-se

notar que o IGBT é muito parecido com o MOSFET com relação ao tipo construtivo. A diferença fundamental é a região p conectada ao coletor do IGBT. A função da camada p é de injetar portadores minoritários na região n- quando o dispositivo opera na região de condução.

Quando o IGBT conduz a junção pn- é polarizada diretamente e portadores minoritários são injetados na região n- e a resistência é reduzida pelo efeito de modulação de condutividade. Isto reduz a resistência ON da região n-, que permite a construção de IGBTs de alta tensão de bloqueio apresentar queda de tensão direta aceitáveis. Em 1999 IGBTs de 600 V a 3300V eram disponíveis com quedas diretas entre 2 a 4 V, que são muito menor do que as de MOSFETs com a mesma área do semicondutor.

O IGBT funciona como um MOSFET de canal n conectado a um transistor pnp. A característica

estática ideal de um IGBT é semelhante à de um MOSFET. O IGBT pode conduzir corrente somente em uma direção, e quando em estado bloqueado, suporta somente tensões positivas, ou seja id>0 e vce>0. Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte, vge, o IGBT entra em condução. Com a remoção da tensão vge o IGBT volta ao estado bloqueado.



O preço pago por reduzir a tensão do IGBT é o aumento dos tempos de comutação, especialmente os tempos de desligamentos. Os IGBT tem um tempo de condução e de bloqueio da ordem de 1 ms e estão disponíveis em módulos tão grande quanto 1700V 1200A. As tensões nominasi de projeto são 2 – 3 kV.

As principais característica do IGBT são: · Disparo por sinal de tensão

· Devido à alta impedância, requer pouca energia no circuito de disparo

· Baixa queda de tensão sob condução: 2V em um dispositivo de 1000V

· Pode bloquear tensões negativas

· ont e offt da ordem de 1ms

· Correntes de 1200A, tensões de bloqueio de até 3kV



CCOOMMPPAARRAAÇÇÃÃOO EENNTTRREE CCHHAAVVEESS CCOONNTTRROOLLAADDAASS Dispositivo Potência Velocidade de chaveamento

BJT Média Média

MOSFET Baixa Rápida

GTO Alta Lenta

IGBT Média Média

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS · Tensão e resistência de condução definem as perdas de condução · Tempos de chaveamento definem as perdas de chaveamento e a máxima freqüência de

operação possível · Tensões e correntes nominais determinam a máxima potência da chave · Potência do circuito de disparo/bloqueio determina a facilidade de controle · Coeficiente de temperatura da resistência de condução determina a facilidade de

conectar as chaves em paralelo · Custo do dispositivo é um fator em sua seleção

COMBINAÇÃO TÍPICA DE SEMICONDUTORES As combinações típicas de semicondutores encontrados em conversores estáticos são:

Tiristores em antiparalelo Tiristores com diodo em Antiparalelo

BJT com Diodo em Antiparalelo MOSFET com Diodo em Antiparalelo

IGBT com Diodo em Antiparalelo IGBT com Diodo Serie



EXERCÍCIOS RESOLVIDOS Exemplo 4 O circuito da Figura 0.34 é um conversor CC-CC que se caracteriza por operar com freqüência de comutação variável. Este conversor apresenta como vantagem a comutação em entrada em condução e bloqueio do IGBT com corrente nula. Aqui este conversor será utilizado para exemplificar a solução de circuitos comutados de segunda ordem. As seguintes hipóteses são assumidas para a análise do circuito:

Apostila_Eletrônica_de_Potência_Samuel_Parte1

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