Eletrônica Potencia Introdução

Disciplina: Eletrônica Potência

Carga Horária - 60 H/A

LED - Laboratório Educacional de DesenvolvimentoProf. ª Tayssara VarãoContato: [email protected] [email protected]

2

SUMARIO 1.Materiais Semicondutores

1.1.Materiais intrínsecos e extrínsecos

1.2.Material extrínseco tipo P

1.2.Material extrínseco tipo N

2. Diodos em CC2.1. Junção PN2.2. Polarização2.3. Curva Característica - Diodo Real2.4. Curva Característica - Diodo Ideal2.5. Análise de Circuito

2.5.1. Modelo Ideal2.5.2. Modelo Real

3. Diodos em CA3.1. Corrente Alternada

3.1.1.Ciclo3.1.2.Período (T)3.1.3.Frequência ( f )3.1.4.Valor de Pico ( Vp )3.1.5.Valor de Pico a Pico ( Vpp )3.1.6.Valor Médio( Vm )3.1.7.Valor eficaz ( VEF ou VRMS )

3.2. Transformadores3.3. Retificador de Meia Onda3.4. Retificador de Onda Completa3.5. Retificador em Ponte

4. Tiristor SCR em CC4.1. Funcionamento4.2. Simbologia e estrutura fisica4.3. Curva caracteristica – SCR ideal4.4. Curva caracteristica – SCR real4.5. Polarização4.6. Exercicios

5. Tiristor SCR em CA5.1. Retificadores Controlados de meia onda

com Carga Resistivas5.2. Retificadores Controlados de onda

completa com Carga Resistivas 5.3. Retificadores trifasico Controlados de

meia onda com Carga Resistivas

6. Modos de Disparo do SCR6.1. Corrente de Gatilho IGK6.2. Sobretemperatura6.3. Sobretensão

3

SUMARIO

6.5. Luz ou Radiação

7. Calculo Térmico Para Dissipadores

8.Inversores de Frequência

tVdt

dv

Tensão deDegrau 6.4.

4

1.MATERIAIS SEMICONDUTORES O termo semicondutor sugere algo entre os condutores e os isolantes.

A propriedade que define sua relação com isolantes e condutores é a condutividade elétrica, que é a capacidade de conduzir cargas elétricas (corrente elétrica) quando submetido à uma diferença de potencial elétrico (tensão elétrica).

Tipo de Materiais semicondutores:

Silício-Tetravalente

Germânio-Tetravalente

Tetravalente: 4 elétrons na camada de valência

Si

Ge SiSi

Si

5

1.1.Materiais intrínsecos e extrínsecos Quando um material semicondutor é totalmente puro, ele é chamado de

material intrínseco.

E quando ele possui alguma impureza ele é chamado de material extrínseco.

Característica da impurezas

Pentavalente – 5 elétrons na camada de valência

Arsênio (As) Antimônio (Sb) Fósforo (P)

Trivalentes – 3 elétrons na camada de valência

Alumínio (Al) Boro (B) Gálio (Ga)

1.MATERIAIS SEMICONDUTORES

6

1.2.Material extrínseco tipo PQuando se adiciona uma impureza do tipo trivalente ao cristal puro de um material semicondutor, o material resultante passa a ter um número insuficiente de elétrons para completar as ligações covalentes.

A vaga resultante é chamada de lacuna.

As lacunas são chamadas portadores majoritários (maior quantidade) e os elétrons livres são denominados portadores minoritários (menos quantidade) de carga em um material do tipo P

Tem facilidade para absorver elétrons – Material positivo


Lacuna

7

1.2.Material extrínseco tipo NQuando se adiciona impurezas do tipo pentavalente ao cristal puro de um material semicondutor, o material resultante passa a ter excesso de elétrons.

O excesso de elétrons é chamado de elétrons livres.

Os elétrons livres são chamados de portadores majoritários (maior quantidade) e as lacunas são denominadas portadoras minoritárias (menos quantidade) de carga em um material do tipo N

Tem facilidade para doar elétrons – Material Negativo


Elétrons Livres

8

2.DIODOS EM CC2.1. Junção PN

Quando se juntam em uma única pastilha dois materiais extrínsecos um do tipo P e outro do tipo N forma-se uma junção PN comumente chamado de diodo.

No instante de formação o lado P tem muitas lacunas (falta de elétrons) e o lado N tem excesso de elétrons.

Devido à força de repulsão que ocorrem entre cargas semelhantes, os elétrons em excesso migram do lado N para o lado P de forma a ocupar as lacunas deste material.

Esta migração não é infinita pois os elétrons ocupam as lacunas do material P próximo a região de contato formando uma região estável que é chamada de camada de depleção.Ânodo(A) Cátodo(K) Ânodo(A) Cátodo(k) Ânodo(A) Cátodo(K)

9

2.2. PolarizaçãoPolarizar um diodo é limitar a intensidade da corrente elétrica que irá circular através dele.

Tipos de polarização

Polarização Direta. O diodo funciona como uma chave fechada, ou seja, entra em condução.

Polarização Reversa.O diodo funciona como uma chave aberta, ou seja, não entra em condução.

2.DIODOS EM CC

10

2.3. Curva Característica - Diodo RealÉ a curva que representa graficamente o comportamento de um diodo quando polarizado, mostrando os pontos de condução plena e de corte.

Vᵧ

Polarização Direta

Polarização Reversa ou Inversa

2.DIODOS EM CC

Vᵧ = 0,7 ;para diodos de SilícioVᵧ = 0,3 ;para diodos de Germânio

11

2.4. Curva Característica - Diodo IdealÉ a curva que representa graficamente o comportamento de um diodo quando polarizado, mostrando os pontos de condução plena e de corte.

Vᵧ

Polarização Direta

Polarização Reversa ou Inversa

2.DIODOS EM CC

12

2.5. Análise de Circuito2.5.1. Modelo Ideal

Ex: Determine a corrente do circuito dado abaixo:

RVTI

aberto esta circuito o pois,0I

mAI

AVKVI

RVTI

9

009,01000

919

2.DIODOS EM CC

13

2.5.2. Modelo Real

Ex: Determine a corrente do circuito dado abaixo considerando o diodo de silício:

D

CCD

DDCC

RDCC

RVVI

VIRVVVV

.

aberto esta circuito o pois,0I

mAI

AVK

VVIR

VVTI

3,8

0083,01000

3,81

7,09

2.DIODOS EM CC

14

3.1. Corrente Alternada A fonte de tensão alternada não tem polaridade definida, ora um terminal é positivo, ora negativo. A d.d.p. entre os terminais da fonte de tensão

alternada varia a todo instante.

3.1.1.Ciclo É a sequencia de valores onde, a partir do qual, os valores voltam a se repetir. Um ciclo é composto por dois semiciclos, um positivo e um negativo.

3.1.2.Período (T) É o tempo gasto para se completar um ciclo. Sua unidade é o segundo.

3.1.3.Frequência ( f ) É a quantidade de ciclos gerados a cada segundo. É o inverso do período, e sua unidade é o Hertz (Hz).

3. DIODOS EM CA

Tf 1

fonde

tsenVptv

..2,

)(.)(

15

3.1.4.Valor de Pico ( Vp )

Os valores de pico positivo ou negativo de uma senóide é o máximo valor que a onda alcança durante a excursão dos semiciclos positivo ou negativo.

3.1.5.Valor de Pico a Pico ( Vpp )

O valor de pico a pico de qualquer sinal é a diferença entre seu valor máximo e o seu valor mínimo.

O valor de pico a pico de uma senóide é o dobro do valor de pico.

3.1.6.Valor Médio( Vm )

O valor médio de um sinal periódico é igual à média aritmética de todos os valores que este sinal assumiu em um ciclo.

3.1.7.Valor eficaz ( VEF ou VRMS )

Quando uma tensão senoidal é aplicada a um resistor ela força a circulação de uma corrente também senoidal sobre o resistor.

O valor eficaz de uma onda senoidal é igual ao valor contínuo que produz a mesma quantidade de calor que a onda senoidal.

3. DIODOS EM CA

Vpp=2.Vp

VEF = VRMS = .Vp2

16

3.2. TransformadoresOs transformadores ou trafo são dispositivos estáticos que ACOPLAM circuitos com diferentes níveis de tensão e/ou de impedâncias.

3. DIODOS EM CA

)3(

espiras deNº)2(

)1(N

dorTransforma do Equações

21

1

2

2

1

2

1

2

1

PP

NNN

II

Nvv

Transformador com Núcleo de Ar

Transformador com Núcleo de Ferro

Transformador com Núcleo de Ferro e DERIVAÇÃO CENTRAL

17

3.3. Retificador de Meia OndaConverte tensão alternada em tensão contínua pulsante.

3. DIODOS EM CA

3,1415pi diodo do condução de Tensão

pico de Tensão,

Real Diodo ideal Diodo (Vm) carga na média Tensão

V

Vonde

VVVmVVm

P

PP

carga da aResistêncicarga na média Tensão

,

Im

(Im) carga na média Corrente

L

L

RVm onde

RVm

18

3.4. Retificador de Onda CompletaConverte tensão alternada em tensão contínua pulsante.

3. DIODOS EM CA


pico de Tensão,

2 Real Diodo ideal Diodo

(Vm) carga na média Tensão

V

Vonde

VVVmVVm

P

PP


,

Im


L

L

RVm onde

RVm

19

3.5. Retificador em PonteConverte tensão alternada em tensão contínua pulsante.

3. DIODOS EM CA


pico de Tensão,

222 Real Diodo ideal Diodo

(Vm) carga na média Tensão

V

Vonde

VVVmVVm

P

PP


,

Im


L

L

RVm onde

RVm

20

4. TIRISTOR SCR EM CC4.1. Funcionamento

O Tiristor SCR (Silicon Controlled Rectifier) é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN).

Os Tiristores SCR’s funcionam analogamente a um diodo, porém possuem um terceiro terminal conhecido como gatilho (Gate ou Porta) , que é responsável pelo controle da condução ( disparo)

Caracteristicas do SCR

São chaves estáticas bi-estáveis, ou

seja, trabalham em dois

estados: não condução e

condução, com a possibilidade

de controle;

Aplicados como chaves ideais, mas há

limiaçoes e características

na prática;

São compostos de 4 camadas

semicondutoras (P-N-P-N), 3

junçoes (P-N) e 3 terminais

(Anodo, Catodo e Gatilho);

Semicondutores de silicio devido a sua

alta capacidade de potência e capacidade de suporta altas temperaturas;

Alta velocidade de comutação e elevada vida

util;

Resistencia elétrica

variavel com a temperatura,

dependendo da potência que

esteverem conduzindo;

Aplicados em controle de relés, fontes de tensao reguladas,

controle de motores, CHOPPERS

(variadoresd e tensao CC), inversores CC – CA, ciclo-conversores

(variadores de frequencia),

carregadores de baterias, circuitos de

proteçao, controles de iluminaçao e de aquecedores e

controle de fase, entr outras.

21

AULAS PRÁTICAS

LUCAS WANDERSON ADALTO DAVI DIELITON FRANCISCO GERSON HUGO ANDRE JAILDON JAIRO JONISON JOSÉ DOS SANTOS JOSÉ FERNANDO KAAYAN MAYCON NADSON

SANDRO ABRAÃO PEDRO HENRIQUE RAFAEL DE SOUSA RAFAEL MORAIS RANIERE RAYKAR RENATO TASSIO ROBSON THAYNAN VALDEBERTO VINICIUS WESLLEY ADRISON

TURMA 1: 05,12,19 e 26/11

TURMA 2: 10,17,24/11 e 01/12

22

4.2. Simbologia e estrutura fisica

4. TIRISTOR SCR EM CC

23

4.3. Curva caracteristica – SCR ideal

Um SCR ideal se comporta como uma chave ideal.

Quando não receber um sinal de corrente no gatilho , é capaz de bloquear tensão de valores infinitos, tanto com polaridade direta como reversa.

Quando disparado, ou seja, corrente no gatilho o SCR se comporta como um diodo ideal, bloqueando ou conduzindo tensoes e correntes infinitas sem nenhuma perda, de acordo com a sua polarizaçao.


24

4.4. Curva caracteristica – SCR realUm SCR real se comporta como uma chave controlada por corrente.

BLOQUEIO em polarizaçao REVERSA– Curva 1BLOQUEIO em polarizaçao DIRETA – Curva 2CONDUÇÃO em polarizaçao DIRETA – Curva 3


conduçao em SCR o MANTER para necessaria I corrente a é ManutençaodeCorrenteIconduçao em ENTRE SCR o que para necessaria I corrente a éRetençaodeCorrenteI

AH

AL

conduçao em entrara nao SCR o contrario caso,II

que até mantidaser deve I correnteA :OBS

LA

GK

25

4.5. Polarização

Polarização direta = Tensão de anodo positiva em relação ao cátodo

Polarização reversa = Tensão de cátodo positiva em relação ao anodo


26

4.6. Exercicios• Ex-01: Considerando que o SCR é ideal,e que Vcc = 100v e a Carga =

10K. Qual a corrente que passa pelo SCR???? Justifique a sua resposta.

• Ex-02: Considerando que o SCR é ideal,e que Vcc = 150v e a Carga = 15K. Qual a corrente que passa pelo SCR???? Justifique a sua resposta.


mAAxK

VI CCA 1001,0

10000100

1010100

10100

Carga 3

AI A 0,isso com reversa, forma de polarizado esta SCR O

27

5.1. Retificadores Controlados de meia onda com Carga Resistivas

5. TIRISTOR SCR EM CA

42

221

carga na eficaz Tensãocos1225,0

carga na média Tensão

senxVV

xxVV

SLef

SLmed

42

221

carga na eficaz Corrente

cos1225,0

carga na média Corrente

senxR

VI

xR

VxI

SLef

SLmed

28


Forma de onda de entrada com 3 Períodos e α=90°

29

5.2. Considerado V(t)=220 sen(wt) e R= 1kΩ. Calcule a tensão média, a corrente média e a potencia media na carga para α=30°?


VVVxV

VxxVVxxVVxxV

xxVV

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

SLmed

367,9252,410225,0

866,1220225,0866,01220225,0

30cos1220225,0cos1225,0


WPAVP

AVP

mAVPIVP

mAAI

VVI

KV

RVI

ouxR

VxI

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

LmedLmedLmed

Lmed

Lmed

LmedLmed

SLmed

832,8092367,0367,92

10367,92367,92

367,92367,92

carga na média Potência367,92092367,0

1000367,92

101367,92

1367,92

cos1225,0


3

3

30

5.3. Retificadores Controlados de meia onda com Carga R-L


coscos225,0


xxVV SLmed coscos225,0


xR

VxI SLmed

20

31



32

5.4. Considerado V(t)=110 sen(wt) e R= 500 Ω. Calcule a tensão média, a corrente média e a potencia media na carga para α=30° e β=240°?


VVVxV

VxxVVxxVVxxV

xxVV

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

SLmed

81,3326,150225,0

366,1110225,05,0866,0110225,0

240cos30cos110225,0coscos225,0


WPAVP

AVP

mAVPIVP

mAAI

AVR

VI

ouxR

VxI

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

LmedLmedLmed

Lmed

LmedLmed

SLmed

2862,206762,081,33

1062,6781,33

62,6781,33

carga na média Potência62,6706762,0

06762,0500

81,33

coscos225,0


3

33

5.5. Retificadores Controlados de onda completa com Carga Resistivas


221

carga na eficaz Tensãocos145,0


senxVV

xxVV

SLef

SLmed

21

carga na eficaz Corrente

cos145,0


senxR

VI

xR

VxI

SLef

SLmed

34



35

5.6. Considerado V(t)=110 sen(wt) e R= 250 Ω. Calcule a tensão média, a corrente média e a potencia media na carga para α=90°?


VVVxVVxxVVxxV

xxVV

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

SLmed

5,4911045,0

0111045,090cos111045,0

cos145,0


WPAVP

AVP

mAVPIVP

mAI

AVR

VI

ouxR

VxI

Lmed

Lmed

Lmed

Lmed

LmedLmedLmed

Lmed

LmedLmed

SLmed

801,9198,05,49

101985,49

1985,49

carga na média Potência198

198,0250

5,49

cos145,0


3

36

Alannylson Alexssandro Carlos Henrique siqueira Darlison David patric David renan Eduardo viniciius Ernani josé Eudileno Fredson Giuliano Luis Mauricio Magno Paulo roberto Noronha Paulo Roberto Souza Robson dos Reis Rodrigo da Assunção

DEMAIS ALUNOS.

TARDE NOITE

AVISO: Dia 25, aula no Lab 2 para toda a turma.Dia 27, 1ª avaliação.

37

5.1. Corrente de Gatilho IGK

5. MODOS DE DISPARO DO SCR

7,0 GGDISPARO RIV

38

5.2. Sobretemperatura

O aumento brusco da temperatura aumenta o numero de pares elétrons-lacunas no semicondutores provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução

5.3. Sobretensão

Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da tensão de ruptura direta máxima VDRM (VBO), fluirá uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de condução


39

Se a taxa de crescimento da tensão anodo-catodo VAK no tempo for alta (subida muito rápida da tensão VAK) pode levar o SCR ao estado de condução. Em polarização direta a junção J2 esta reversamente polarizada e se comporta como um capacitor carregado.

tVdt

dv

Tensão deDegrau 6.4.


dtdvCiC

40

5.5. Luz ou Radiação

Se for permitida a penetração de energia luminosa (luz) ou radiação (fótons, raios gama, nêutrons, prótons, elétrons ou raio X) nas junções do semicondutor, haverá maior combinação de pares elétrons-lacuna, provocando maior corrente de fuga, o que pode levar o SCR ao estado de condução.

É o caso do SCR ativo por luz, chamado foto-SCR ou LASCR (Light-Activated Silicon Controlled Rectifier).


41

Calcular um sistema de dissipação que evite que a temperatura de junção (TJ) ultrapasse o máximo valor permitido na pior condição de temperatura ambiente (Tamb) na pior condição de operação.

P – potência térmica, circula no componente e é transferida ao ambiente (W)

7. CALCULO TÉRMICO PARA DISSIPADORES

Rjc– resistência térmica junção-cápsula (°C/W)

Rcd– resistência térmica cápsula-dissipador (°C/W)

Rda– resistência térmica dissipador-ambiente (°C/W)

Rja– resistência térmica junção-ambiente (°C/W)

Tj– temperatura da junção (°C)

Tc– temperatura da cápsula (°C)

Td– temperatura do dissipador (°C)

Ta– temperatura ambiente (°C)

dacdjcja R +R +R =R

42


43

Procedimento para calculo do dissipador

1. P - calculada com dados do componente e da corrente que circula:

2. Tj- fornecida pelo fabricante do componente3. Ta– valor adotado pelo projetista (máxima temperatura ambiente)4. Com a expressão abaixo determina-se a resistência térmica total:

5. Com o valor anterior calcula-se a resistência térmica do dissipador

6. Resistências térmicas Rjc e Rcd são fornecidas pelo fabricante do componente (diodo ou tiristor)

7. Procurar no catálogo de dissipadores o dissipador que possua: Rda(comercial) ≤ Rda(calculado)

médmédméd IVPP

WC

P-TTR aJ

Ja

cdjcjada R-R -R =R


44


45

7.2. Considerado V(t)=220 sen(wt) e R= 1kΩ. Calcule a tensão média, a corrente média e a potencia media na carga para α=30° e em seguida determine o melhor dissipador para esse SCR utilizando a tabela do slide anterior? Temperatura ambiente igual a 30° Temperatura da junção igual a 120° Resistência térmica junção-cápsula igual a 3 °C/W Resistência térmica cápsula-dissipador igual a 2 °C/W?


46

Temperatura ambiente igual a 30° Temperatura da junção igual a 120° Resistência térmica junção-cápsula igual a 3 °C/W Resistência térmica cápsula-dissipador igual a 2 °C/W?


WCR

WCR

WC-CR

WC

P-TTR

Ja

Ja

Ja

aJJa

28,5

063,1790

063,1730120

WC0,28 =R

WC2-W

C3 -WC5,28 =R

R-R -R =R

da

da

cdjcjada

47


48

11. INVERSORES DE FREQUÊNCIAUm inversor de frequência é um dispositivo capaz de gerar uma tensão e freqüência trifásicas ajustáveis, coma finalidade de controlar a velocidade de um motor de indução trifásico.

49

Seção Retificadora Os seis diodos retificadores situados no circuito de entrada do inversor, retificam a tensão trifásica da rede de entrada (L1, L2 e L3). A tensão DC resultante é filtrada pelo capacitores C e utilizada como entrada para a Seção Inversora.

11. INVERSORES DE FREQUÊNCIA

50

Seção Inversora

Na seção inversora, a tensão retificada DC é novamente convertida em Trifásica AC. Os transistores chaveiam várias vezes por ciclo, gerando um trem de pulsos com largura variável senoidalmente (PWM). Esta saída de tensão pulsada, sendo aplicada em um motor (carga indutiva), irá gerar uma forma de onda de corrente bem próxima da senoidal através do enrolamento do motor.

11. INVERSORES DE FREQUÊNCIA

Eletrônica Potencia Introdução

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