Eletronica de Potencia

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Ementa Introdução Dispositivos semicondutores de potência Circuitos fundamentais Conversores CC CC CCM e DCM e CCCA Modulação PWM Conversores CCCC isolados Princípios de controle de conversores estáticos Bibliografia básica BARBI Ivo Eletrônica de Potência 6ª Edição UFSC 2006 BARBI Ivo MARTINS Denizar Cruz Conversores CCCC Básicos NãoIsolados 1ª edição UFSC 2001 MUHAMMAD Rashid Eletrônica de Potência Editora Makron Books 1999 Bibliografia complementar ERICKSON Robert W MAKSIMOVIC Dragan Fundamentals of power electronics New York Kluwer Academic 2001 MOHAN Ned UNDELAND Tore M ROBBINS William P Power electronics converters applications and design New York John Wiley 1995 AHMED Ashfaq Eletrônica de Potência Editora Prentice Hall 1a edição 2000 BOSE B K Power electronics and AC drives Englewood Cliffs PrenticeHall 1986 BARBI Ivo SOUZA Fabiana Pöttker de Conversores CCCC isolados de alta frequência com comutação suave Florianópolis 1999 Questão 01 Avalie o sistema apresentado a seguir A respeito desse sistema responda o que se pede a Em qual modulação este sistema pode ser utilizado b O significado do tempo morto para o sistema c Para essa modulação em um conversor CCCC como seria o sinal da portadora e o sinal de referência d Para essa modulação em um conversor CACA como seria o sinal da portadora e o sinal de referência Questão 02 A seguir é apresentado um Conversor CCCC É possível afirmar que a topologia acima indica um conversor Buck Explique Questão 03 A seguir é apresentado um Conversor CCCC É possível afirmar que a topologia acima indica um conversor Boost Explique Questão 04 Identifique o conversor a seguir e apresente as características do mesmo Questão 05 Identifique cada um dos conversores a seguir e apresente as suas respectivas características Questão 06 Analise a curva abaixo que representa a curva característica do funcionamento de um tiristor e responda o que se pede a Descreva o significado de cada um dos termos A B C D E dentro do contexto de funcionamento do tiristor Questão 07 Cite três aplicações para inversores de frequência Questão 08 Acerca do circuito abaixo responda a Explique detalhadamente seu funcionamento b Cite uma desvantagem deste circuito c Qual a utilidade dos diodos D1 e D2 d O que é o tempo morto e para que serve Questão 09 Um inversor monofásico em ponte completa fornece uma saída em onda quadrada para uma carga indutiva pura com um diodo de retorno em paralelo com cada chave Plote as formas de onda para a tensão de saída para a corrente na saída para as correntes nas chaves para as correntes nos diodos e para a fonte de corrente Qual a potência média absorvida pela fonte Questão 10 Sobre os diodos defina a Região de polarização direta b Região de polarização reversa c Região de ruptura reversa Questão 11 A Figura abaixo representa de maneira geral as características dinâmicas dos diodos Sobre as essas características indique a Qual a situação do diodo que esse gráfico representa b Defina as principais características expressas no gráfico acima c Relacione a Carga reversa QRR com a corrente de recuperação reversa d Os gráficos abaixo representam uma recuperação suave e uma recuperação abrupta indique a diferença entre as duas situações em relação ao tempo trr e o ta ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Ementa Introdução Dispositivos semicondutores de potência Circuitos fundamentais Conversores CC CC CCM e DCM e CCCA Modulação PWM Conversores CCCC isolados Princípios de controle de conversores estáticos Bibliografia básica BARBI Ivo Eletrônica de Potência 6ª Edição UFSC 2006 BARBI Ivo MARTINS Denizar Cruz Conversores CCCC Básicos NãoIsolados 1ª edição UFSC 2001 MUHAMMAD Rashid Eletrônica de Potência Editora Makron Books 1999 Bibliografia complementar ERICKSON Robert W MAKSIMOVIC Dragan Fundamentals of power electronics New York Kluwer Academic 2001 MOHAN Ned UNDELAND Tore M ROBBINS William P Power electronics converters applications and design New York John Wiley 1995 AHMED Ashfaq Eletrônica de Potência Editora Prentice Hall 1a edição 2000 BOSE B K Power electronics and AC drives Englewood Cliffs PrenticeHall 1986 BARBI Ivo SOUZA Fabiana Pöttker de Conversores CCCC isolados de alta frequência com comutação suave Florianópolis 1999 Questão 01 Avalie o sistema apresentado a seguir A respeito desse sistema responda o que se pede a Em qual modulação este sistema pode ser utilizado R O circuito apresentado corresponde a um modulador por largura de pulso PWM Pulse Width Modulation Essa modulação é amplamente utilizada em conversores de potência CCCC e CACA acionamento de motores elétricos e controle de potência de cargas Motivo da escolha A presença de um comparador sugere que um sinal de referência Ref está sendo comparado com uma portadora Port resultando em um sinal PWM na saída Os transistores Q1 e Q2 indicam a configuração de um estágio de potência em um conversor chaveado que funciona de acordo com a modulação PWM A modulação PWM permite ajustar a tensão ou corrente média entregue à carga variando a razão cíclica do sinal b O significado do tempo morto para o sistema R O tempo morto dead time é um intervalo durante o qual nenhum dos interruptores Q1 ou Q2 está conduzindo Isso é essencial para evitar um curtocircuito direto na ponte H ou no estágio de potência de um conversor Para sistemas de amplificadores operacionais o tempo morto pode se referir a Atraso na resposta O tempo que um amplificador leva para mudar sua saída após uma variação na entrada Histerese Em circuitos de comparadores pode ser intencionalmente introduzida uma faixa de histerese para evitar oscilações devido a ruído Proteção em circuitos de potência Evita que dois transistores conduzem simultaneamente prevenindo sobrecorrentes destrutivas c Para essa modulação em um conversor CCCC como seria o sinal da portadora e o sinal de referência R Em um conversor CCCC a modulação PWM geralmente utiliza Sinal da portadora Uma onda triangular ou dente de serra de alta frequência Sinal de referência Uma tensão contínua variável que define o duty cycle da onda PWM Gráfico esperado Onda triangular portadora Linha de tensão contínua referência O PWM gerado a partir da comparação dos dois sinais Onda triangular azul Sinal da portadora Linha vermelha Sinal de referência uma tensão contínua fixa Sinal verde O PWM gerado ao comparar a referência com a portadora d Para essa modulação em um conversor CACA como seria o sinal da portadora e o sinal de referência R Em um conversor CACA a modulação PWM utiliza Sinal da portadora Uma onda triangular de alta frequência Sinal de referência Um sinal senoidal pois a saída deve reproduzir uma forma de onda CA Onda triangular azul Sinal da portadora Onda senoidal vermelha Sinal de referência representando uma forma de onda CA Sinal verde O PWM gerado ao comparar a referência com a portadora Esse método é usado em inversores CACA como inversores de frequência para motores e sistemas fotovoltaicos Questão 02 A seguir é apresentado um Conversor CCCC É possível afirmar que a topologia acima indica um conversor Buck Explique R Sim o circuito apresentado corresponde a um conversor Buck Podemos identificar MOSFET M1 como chave principal Diodo D1 que permite a condução quando o MOSFET está desligado Indutor L que armazena energia e suaviza a corrente Capacitor C que filtra a tensão de saída Controle PWM que modula a chave para regular a saída A configuração e operação são exatamente as de um conversor Buck confirmando que o circuito abaixa a tensão Completando o argumento O conversor Buck ou conversor abaixador é um conversor CCCC que reduz a tensão de entrada Vin para um nível de saída Vo menor Ele opera com um indutor um interruptor geralmente um MOSFET um diodo e um capacitor Princípio de funcionamento Quando o MOSFET está ligado a corrente flui diretamente da fonte para a carga e para o indutor O indutor armazena energia Quando o MOSFET está desligado o diodo conduz e o indutor libera sua energia para a carga garantindo uma saída contínua A tensão média na saída é sempre menor que a de entrada VoDVin onde D é o ciclo de trabalho duty cycle da chave Questão 03 A seguir é apresentado um Conversor CCCC É possível afirmar que a topologia acima indica um conversor Boost Explique R Sim o circuito apresentado corresponde a um conversor Boost Podemos identificar MOSFET M1 como chave principal Diodo D1 que conduz quando o MOSFET está desligado para permitir o fluxo de corrente à carga Indutor L que armazena energia quando o MOSFET está ligado Capacitor C que filtra a tensão de saída Controle PWM que regula a tensão de saída A configuração e operação indicam claramente um conversor Boost confirmando que o circuito aumenta a tensão de saída O conversor Boost ou elevador é um conversor CCCC que aumenta a tensão de entrada Vin para um nível maior na saída Vo Ele também opera com um indutor um interruptor um diodo e um capacitor mas de maneira diferente do Buck Princípio de funcionamento Quando o MOSFET está ligado a corrente flui pela fonte e pelo indutor armazenando energia magnética Quando o MOSFET está desligado o indutor libera sua energia somandoa à tensão de entrada e aumentando a tensão na saída A tensão média na saída é sempre maior que a de entrada onde DDD é o ciclo de trabalho Questão 04 Identifique o conversor a seguir e apresente as características do mesmo R O circuito apresentado é um conversor BuckBoost Esse tipo de conversor pode abaixar ou elevar a tensão de entrada dependendo do ciclo de trabalho da chave Principais características do conversor BuckBoost Pode fornecer uma tensão de saída maior ou menor que a entrada O sinal negativo indica que a polaridade da saída é invertida em relação à entrada Uso de um único indutor que armazena energia durante a condução da chave e libera energia para a carga quando a chave desliga O diodo impede o fluxo reverso de corrente garantindo a conversão eficiente O capacitor filtra a saída reduzindo ondulações na tensão Ampla aplicação incluindo fontes chaveadas reguladores de tensão e conversores para baterias Esse conversor é muito utilizado em sistemas onde a tensão de entrada pode variar bastante como em fontes de alimentação de dispositivos móveis e carregadores de bateria Questão 05 Identifique cada um dos conversores a seguir e apresente as suas respectivas características R Os dois esquemas apresentados são conversores CCCC choppers Primeiro circuito Tratase de um Conversor Buck Configuração Redutor de tensão Funcionamento O transistor M1 atua como um interruptor controlando a energia transferida para a carga Durante a condução de M1 a corrente flui pela indutância L e pelo capacitor C Quando M1 desliga o diodo D1 mantém a continuidade da corrente Características Reduz a tensão de entrada para um nível mais baixo Possui um funcionamento pulsado regulado pelo ciclo de trabalho do chaveamento A corrente na indutância é contínua e filtrada pelo capacitor reduzindo ondulações Segundo circuito Tratase de um Conversor Boost Configuração Elevador de tensão Funcionamento Quando o transistor M1 está ligado a indutância L armazena energia Ao desligar M1 a energia armazenada em L é transferida para o capacitor C e para a carga por meio do diodo D1 Características Eleva a tensão de entrada para um nível superior A energia é armazenada na indutância durante a condução do transistor e depois transferida para a carga Possui características pulsadas e a tensão de saída depende do ciclo de trabalho do chaveamento Questão 06 Analise a curva abaixo que representa a curva característica do funcionamento de um tiristor e responda o que se pede a Descreva o significado de cada um dos termos A B C D E dentro do contexto de funcionamento do tiristor A Bloqueio Reverso Região onde o tiristor opera como um diodo reverso A tensão reversa é aplicada e há uma pequena corrente de fuga reversa B Bloqueio Direto O tiristor está polarizado diretamente mas ainda não foi disparado A corrente permanece baixa até atingir a tensão de disparo C Região de Condução Quando um pulso de disparo é aplicado à comporta o tiristor entra em condução Há uma pequena queda de tensão direta VON e a corrente aumenta D Região de Desligamento Após a corrente cair abaixo da corrente de manutenção IH o tiristor desliga e volta ao bloqueio E Corrente de Fuga Reversa Pequena corrente que circula quando o tiristor está em bloqueio reverso Se a tensão reversa for aumentada demais pode ocorrer avalanche e dano ao dispositivo Questão 07 Cite três aplicações para inversores de frequência R Controle de velocidade em motores industriais Utilizados para ajustar a velocidade de motores trifásicos em máquinas industriais bombas e compressores otimizando o consumo de energia Sistemas de climatização e ventilação HVAC Aplicados em ventiladores e compressores de ar condicionado para melhorar a eficiência energética reduzindo o consumo de eletricidade Energia renovável sistemas fotovoltaicos e eólicos Convertem a energia gerada em corrente contínua para corrente alternada ajustando a frequência para conexão com a rede elétrica Questão 08 Acerca do circuito abaixo responda a Explique detalhadamente seu funcionamento R O circuito mostrado é um inversor monofásico em meia ponte um tipo de conversor eletrônico que transforma uma tensão de corrente contínua CC em uma tensão alternada CA Componentes principais do circuito Fonte de tensão Fornece uma tensão contínua 𝑉𝑐c Chaves T1 e T2 São geralmente transistores ou tiristores que alternam a condução para gerar a forma de onda de saída Diodos D1 e D2 Auxiliam na condução da corrente durante o funcionamento Carga R Pode ser uma resistência ou uma carga mais complexa como um motor Ciclo de operação Quando T1 está ligado conduzindo e T2 está desligado A corrente flui da metade superior da fonte atravessando T1 e chegando à carga A tensão na carga é aproximadamente 𝑉𝑐𝑐2 Quando T1 desliga e T2 liga A corrente flui no sentido oposto atravessando T2 e levando a carga a um potencial de 𝑉𝑐𝑐2 Esse chaveamento ocorre continuamente formando uma onda quadrada na saída Formato da saída A tensão de saída 𝑉𝑜 oscila entre 𝑉𝑐𝑐2 e 𝑉𝑐𝑐2 criando uma onda quadrada Se a carga for indutiva como um motor a corrente não muda instantaneamente e os diodos D1 e D2 ajudam a manter a continuidade da corrente b Cite uma desvantagem deste circuito R A principal desvantagem deste inversor de meia ponte é sua baixa eficiência e qualidade da onda de saída A tensão de saída é uma onda quadrada que contém muitos harmônicos componentes de alta frequência que podem causar ruído e interferência em circuitos sensíveis Isso pode gerar perdas por aquecimento em motores e outros equipamentos conectados à saída Em comparação com um inversor de onda senoidal pura este sistema pode não ser adequado para equipamentos eletrônicos sensíveis c Qual a utilidade dos diodos D1 e D2 R Os diodos D1 e D2 atuam como diodos de rodalivre ou diodos de recirculação Eles são essenciais para cargas indutivas pois permitem a continuidade da corrente quando os transistores trocam de estado Se os diodos não estivessem presentes poderiam ocorrer picos de tensão elevados devido à energia armazenada na carga indutiva o que poderia danificar os transistores d O que é o tempo morto e para que serve R O tempo morto dead time é um intervalo de tempo durante o qual ambos os transistores T1 e T2 ficam desligados simultaneamente antes de mudar de estado Ele é necessário para evitar curtocircuito na fonte de alimentação pois se os dois transistores conduzissem ao mesmo tempo haveria um curto direto entre os polos positivo e negativo da fonte causando um grande fluxo de corrente indesejado O tempo morto ajuda a proteger os componentes do circuito e melhora a durabilidade do inversor Questão 09 Um inversor monofásico em ponte completa fornece uma saída em onda quadrada para uma carga indutiva pura com um diodo de retorno em paralelo com cada chave Plote as formas de onda para a tensão de saída para a corrente na saída para as correntes nas chaves para as correntes nos diodos e para a fonte de corrente Qual a potência média absorvida pela fonte R Um inversor monofásico em ponte completa gera uma onda quadrada para alimentar uma carga indutiva pura Como há um diodo de retorno em paralelo com cada chave a corrente pode continuar fluindo mesmo quando os transistores são desligados Formas de onda esperadas Tensão de saída 𝑉𝑜 Alterna entre 𝑉𝑐𝑐 e 𝑉𝑐𝑐 formando uma onda quadrada Corrente na saída 𝐼𝑜 Para uma carga puramente indutiva a corrente tem uma forma de onda triangular devido à relação entre tensão e corrente em indutores 𝑉𝐿𝑑𝑑𝑡 Corrente nos diodos Quando um transistor desliga o diodo correspondente conduz para manter a continuidade da corrente da carga Corrente na fonte A corrente na fonte será pulsada pois flui apenas quando um dos transistores está conduzindo Potência média absorvida pela fonte Como a carga é puramente indutiva a potência ativa absorvida será próxima de zero pois uma carga indutiva ideal armazena e devolve energia ao circuito sem dissipála Questão 10 Sobre os diodos defina a Região de polarização direta R Ocorre quando a anodo do diodo está mais positivo que o catodo O diodo conduz corrente e apresenta uma pequena queda de tensão direta aproximadamente 07V para diodos de silício A corrente aumenta rapidamente conforme a tensão direta aumenta b Região de polarização reversa R Ocorre quando a anodo do diodo está mais negativo que o catodo O diodo não conduz corrente idealmente exceto por uma pequena corrente de fuga c Região de ruptura reversa R Se a tensão reversa ultrapassar o valor máximo suportado pelo diodo ele entra em ruptura e começa a conduzir bruscamente uma grande corrente Isso pode danificar o diodo permanentemente se não houver proteção Em diodos Zener essa característica é usada para regulação de tensão Questão 11 A Figura abaixo representa de maneira geral as características dinâmicas dos diodos Sobre as essas características indique a Qual a situação do diodo que esse gráfico representa R O gráfico representa o tempo de recuperação reversa de um diodo Quando um diodo está conduzindo corrente na polarização direta ele permite a passagem da corrente sem dificuldades No entanto se a tensão for invertida abruptamente mudando para polarização reversa o diodo não interrompe imediatamente a corrente Ele ainda conduz por um curto período antes de bloquear completamente a corrente reversa Esse comportamento é devido às cargas armazenadas na junção do diodo que precisam ser removidas antes que ele possa bloquear totalmente a corrente reversa Esse tempo de resposta é chamado de tempo de recuperação reversa trr b Defina as principais características expressas no gráfico acima R O gráfico mostra três fases principais na recuperação reversa do diodo Fase de condução direta t t1 O diodo conduz corrente normalmente na polarização direta 𝐼𝐿A tensão no diodo 𝑉𝐷 é pequena pois ele está ligado e permite a passagem da corrente Momento da inversão de polaridade t t1 A tensão no diodo começa a inverter A corrente 𝐼𝐹 não para instantaneamente pois o diodo ainda possui cargas armazenadas Corrente de recuperação reversa IRM t1 t t2 A corrente se torna negativa ou seja flui no sentido oposto A corrente reversa atinge um pico negativo chamado de corrente de recuperação reversa máxima IRM Esse efeito ocorre porque as cargas armazenadas no diodo precisam ser removidas Fim do tempo de recuperação reversa t t2 Após 𝑡2 a corrente reversa começa a diminuir até se tornar praticamente zero O diodo agora pode bloquear completamente a corrente reversa O tempo total de recuperação reversa é chamado de 𝑡𝑟𝑟tempo de recuperação reversa Tensão inversa de bloqueio t t2 O diodo finalmente entra no seu estado de bloqueio total impedindo a passagem da corrente reversa c Relacione a Carga reversa QRR com a corrente de recuperação reversa R Representa a quantidade total de carga elétrica armazenada na junção do diodo e que precisa ser removida antes que ele consiga bloquear a corrente reversa No gráfico 𝑄𝑅𝑅 é a área sombreada abaixo da curva da corrente reversa Quanto maior for essa carga armazenada maior será a corrente de recuperação reversa 𝐼𝑅𝑀 e o tempo necessário para o diodo desligar completamente Essa carga reversa depende do tipo de diodo Diodos comuns de junção PN possuem um tempo de recuperação alto pois armazenam mais carga Diodos Schottky possuem recuperação rápida pois armazenam menos carga d Os gráficos abaixo representam uma recuperação suave e uma recuperação abrupta indique a diferença entre as duas situações em relação ao tempo trr e o ta R Os dois gráficos na parte inferior da questão mostram dois tipos de comportamento na recuperação reversa do diodo Recuperação suave soft recovery A corrente reversa diminui de forma gradual e controlada Isso reduz o risco de ruídos elétricos e interferências no circuito O tempo total de recuperação 𝑡𝑟𝑟 e o tempo de atenuação 𝑡𝑎 são maiores mas o sistema opera de forma mais estável Recuperação abrupta hard recovery A corrente reversa cai de forma brusca e rápida Isso pode gerar picos de tensão e interferências eletromagnéticas Embora o tempo de recuperação seja menor pode causar problemas em circuitos sensíveis Conclusão Se o tempo trr for longo a recuperação será mais suave e menos agressiva para o circuito Se 𝑡𝑟𝑟 for curto e 𝑡𝑎 muito pequeno a recuperação será abrupta podendo gerar picos de corrente e tensão prejudiciais ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Ementa Introdução Dispositivos semicondutores de potência Circuitos fundamentais Conversores CC CC CCM e DCM e CCCA Modulação PWM Conversores CCCC isolados Princípios de controle de conversores estáticos Bibliografia básica BARBI Ivo Eletrônica de Potência 6ª Edição UFSC 2006 BARBI Ivo MARTINS Denizar Cruz Conversores CCCC Básicos NãoIsolados 1ª edição UFSC 2001 MUHAMMAD Rashid Eletrônica de Potência Editora Makron Books 1999 Bibliografia complementar ERICKSON Robert W MAKSIMOVIC Dragan Fundamentals of power electronics New York Kluwer Academic 2001 MOHAN Ned UNDELAND Tore M ROBBINS William P Power electronics converters applications and design New York John Wiley 1995 AHMED Ashfaq Eletrônica de Potência Editora Prentice Hall 1a edição 2000 BOSE B K Power electronics and AC drives Englewood Cliffs PrenticeHall 1986 BARBI Ivo SOUZA Fabiana Pöttker de Conversores CCCC isolados de alta frequência com comutação suave Florianópolis 1999 Questão 01 Avalie o sistema apresentado a seguir A respeito desse sistema responda o que se pede a Em qual modulação este sistema pode ser utilizado R O circuito apresentado corresponde a um modulador por largura de pulso PWM Pulse Width Modulation Essa modulação é amplamente utilizada em conversores de potência CCCC e CACA acionamento de motores elétricos e controle de potência de cargas Motivo da escolha A presença de um comparador sugere que um sinal de referência Ref está sendo comparado com uma portadora Port resultando em um sinal PWM na saída Os transistores Q1 e Q2 indicam a configuração de um estágio de potência em um conversor chaveado que funciona de acordo com a modulação PWM A modulação PWM permite ajustar a tensão ou corrente média entregue à carga variando a razão cíclica do sinal b O significado do tempo morto para o sistema R O tempo morto dead time é um intervalo durante o qual nenhum dos interruptores Q1 ou Q2 está conduzindo Isso é essencial para evitar um curto circuito direto na ponte H ou no estágio de potência de um conversor Para sistemas de amplificadores operacionais o tempo morto pode se referir a Atraso na resposta O tempo que um amplificador leva para mudar sua saída após uma variação na entrada Histerese Em circuitos de comparadores pode ser intencionalmente introduzida uma faixa de histerese para evitar oscilações devido a ruído Proteção em circuitos de potência Evita que dois transistores conduzem simultaneamente prevenindo sobrecorrentes destrutivas c Para essa modulação em um conversor CCCC como seria o sinal da portadora e o sinal de referência R Em um conversor CCCC a modulação PWM geralmente utiliza Sinal da portadora Uma onda triangular ou dente de serra de alta frequência Sinal de referência Uma tensão contínua variável que define o duty cycle da onda PWM Gráfico esperado Onda triangular portadora Linha de tensão contínua referência O PWM gerado a partir da comparação dos dois sinais Onda triangular azul Sinal da portadora Linha vermelha Sinal de referência uma tensão contínua fixa Sinal verde O PWM gerado ao comparar a referência com a portadora d Para essa modulação em um conversor CACA como seria o sinal da portadora e o sinal de referência R Em um conversor CACA a modulação PWM utiliza Sinal da portadora Uma onda triangular de alta frequência Sinal de referência Um sinal senoidal pois a saída deve reproduzir uma forma de onda CA Onda triangular azul Sinal da portadora Onda senoidal vermelha Sinal de referência representando uma forma de onda CA Sinal verde O PWM gerado ao comparar a referência com a portadora Esse método é usado em inversores CACA como inversores de frequência para motores e sistemas fotovoltaicos Questão 02 A seguir é apresentado um Conversor CCCC É possível afirmar que a topologia acima indica um conversor Buck Explique R Sim o circuito apresentado corresponde a um conversor Buck Podemos identificar MOSFET M1 como chave principal Diodo D1 que permite a condução quando o MOSFET está desligado Indutor L que armazena energia e suaviza a corrente Capacitor C que filtra a tensão de saída Controle PWM que modula a chave para regular a saída A configuração e operação são exatamente as de um conversor Buck confirmando que o circuito abaixa a tensão Completando o argumento O conversor Buck ou conversor abaixador é um conversor CCCC que reduz a tensão de entrada Vin para um nível de saída Vo menor Ele opera com um indutor um interruptor geralmente um MOSFET um diodo e um capacitor Princípio de funcionamento Quando o MOSFET está ligado a corrente flui diretamente da fonte para a carga e para o indutor O indutor armazena energia Quando o MOSFET está desligado o diodo conduz e o indutor libera sua energia para a carga garantindo uma saída contínua A tensão média na saída é sempre menor que a de entrada VoD Vin onde D é o ciclo de trabalho duty cycle da chave Questão 03 A seguir é apresentado um Conversor CCCC É possível afirmar que a topologia acima indica um conversor Boost Explique R Sim o circuito apresentado corresponde a um conversor Boost Podemos identificar MOSFET M1 como chave principal Diodo D1 que conduz quando o MOSFET está desligado para permitir o fluxo de corrente à carga Indutor L que armazena energia quando o MOSFET está ligado Capacitor C que filtra a tensão de saída Controle PWM que regula a tensão de saída A configuração e operação indicam claramente um conversor Boost confirmando que o circuito aumenta a tensão de saída O conversor Boost ou elevador é um conversor CCCC que aumenta a tensão de entrada Vin para um nível maior na saída Vo Ele também opera com um indutor um interruptor um diodo e um capacitor mas de maneira diferente do Buck Princípio de funcionamento Quando o MOSFET está ligado a corrente flui pela fonte e pelo indutor armazenando energia magnética Quando o MOSFET está desligado o indutor libera sua energia somandoa à tensão de entrada e aumentando a tensão na saída A tensão média na saída é sempre maior que a de entrada onde DDD é o ciclo de trabalho Questão 04 Identifique o conversor a seguir e apresente as características do mesmo R O circuito apresentado é um conversor BuckBoost Esse tipo de conversor pode abaixar ou elevar a tensão de entrada dependendo do ciclo de trabalho da chave Principais características do conversor BuckBoost Pode fornecer uma tensão de saída maior ou menor que a entrada O sinal negativo indica que a polaridade da saída é invertida em relação à entrada Uso de um único indutor que armazena energia durante a condução da chave e libera energia para a carga quando a chave desliga O diodo impede o fluxo reverso de corrente garantindo a conversão eficiente O capacitor filtra a saída reduzindo ondulações na tensão Ampla aplicação incluindo fontes chaveadas reguladores de tensão e conversores para baterias Esse conversor é muito utilizado em sistemas onde a tensão de entrada pode variar bastante como em fontes de alimentação de dispositivos móveis e carregadores de bateria Questão 05 Identifique cada um dos conversores a seguir e apresente as suas respectivas características R Os dois esquemas apresentados são conversores CCCC choppers Primeiro circuito Tratase de um Conversor Buck Configuração Redutor de tensão Funcionamento O transistor M1 atua como um interruptor controlando a energia transferida para a carga Durante a condução de M1 a corrente flui pela indutância L e pelo capacitor C Quando M1 desliga o diodo D1 mantém a continuidade da corrente Características Reduz a tensão de entrada para um nível mais baixo Possui um funcionamento pulsado regulado pelo ciclo de trabalho do chaveamento A corrente na indutância é contínua e filtrada pelo capacitor reduzindo ondulações Segundo circuito Tratase de um Conversor Boost Configuração Elevador de tensão Funcionamento Quando o transistor M1 está ligado a indutância L armazena energia Ao desligar M1 a energia armazenada em L é transferida para o capacitor C e para a carga por meio do diodo D1 Características Eleva a tensão de entrada para um nível superior A energia é armazenada na indutância durante a condução do transistor e depois transferida para a carga Possui características pulsadas e a tensão de saída depende do ciclo de trabalho do chaveamento Questão 06 Analise a curva abaixo que representa a curva característica do funcionamento de um tiristor e responda o que se pede a Descreva o significado de cada um dos termos A B C D E dentro do contexto de funcionamento do tiristor A Bloqueio Reverso Região onde o tiristor opera como um diodo reverso A tensão reversa é aplicada e há uma pequena corrente de fuga reversa B Bloqueio Direto O tiristor está polarizado diretamente mas ainda não foi disparado A corrente permanece baixa até atingir a tensão de disparo C Região de Condução Quando um pulso de disparo é aplicado à comporta o tiristor entra em condução Há uma pequena queda de tensão direta VON e a corrente aumenta D Região de Desligamento Após a corrente cair abaixo da corrente de manutenção IH o tiristor desliga e volta ao bloqueio E Corrente de Fuga Reversa Pequena corrente que circula quando o tiristor está em bloqueio reverso Se a tensão reversa for aumentada demais pode ocorrer avalanche e dano ao dispositivo Questão 07 Cite três aplicações para inversores de frequência R Controle de velocidade em motores industriais Utilizados para ajustar a velocidade de motores trifásicos em máquinas industriais bombas e compressores otimizando o consumo de energia Sistemas de climatização e ventilação HVAC Aplicados em ventiladores e compressores de ar condicionado para melhorar a eficiência energética reduzindo o consumo de eletricidade Energia renovável sistemas fotovoltaicos e eólicos Convertem a energia gerada em corrente contínua para corrente alternada ajustando a frequência para conexão com a rede elétrica Questão 08 Acerca do circuito abaixo responda a Explique detalhadamente seu funcionamento R O circuito mostrado é um inversor monofásico em meia ponte um tipo de conversor eletrônico que transforma uma tensão de corrente contínua CC em uma tensão alternada CA Componentes principais do circuito Fonte de tensão Fornece uma tensão contínua c 𝑉𝑐 Chaves T1 e T2 São geralmente transistores ou tiristores que alternam a condução para gerar a forma de onda de saída Diodos D1 e D2 Auxiliam na condução da corrente durante o funcionamento Carga R Pode ser uma resistência ou uma carga mais complexa como um motor Ciclo de operação Quando T1 está ligado conduzindo e T2 está desligado A corrente flui da metade superior da fonte atravessando T1 e chegando à carga A tensão na carga é aproximadamente 2 𝑉𝑐𝑐 Quando T1 desliga e T2 liga A corrente flui no sentido oposto atravessando T2 e levando a carga a um potencial de 2 𝑉𝑐𝑐 Esse chaveamento ocorre continuamente formando uma onda quadrada na saída Formato da saída A tensão de saída 𝑉𝑜 oscila entre 2 e 2 criando uma onda quadrada 𝑉𝑐𝑐 𝑉𝑐𝑐 Se a carga for indutiva como um motor a corrente não muda instantaneamente e os diodos D1 e D2 ajudam a manter a continuidade da corrente b Cite uma desvantagem deste circuito R A principal desvantagem deste inversor de meia ponte é sua baixa eficiência e qualidade da onda de saída A tensão de saída é uma onda quadrada que contém muitos harmônicos componentes de alta frequência que podem causar ruído e interferência em circuitos sensíveis Isso pode gerar perdas por aquecimento em motores e outros equipamentos conectados à saída Em comparação com um inversor de onda senoidal pura este sistema pode não ser adequado para equipamentos eletrônicos sensíveis c Qual a utilidade dos diodos D1 e D2 R Os diodos D1 e D2 atuam como diodos de rodalivre ou diodos de recirculação Eles são essenciais para cargas indutivas pois permitem a continuidade da corrente quando os transistores trocam de estado Se os diodos não estivessem presentes poderiam ocorrer picos de tensão elevados devido à energia armazenada na carga indutiva o que poderia danificar os transistores d O que é o tempo morto e para que serve R O tempo morto dead time é um intervalo de tempo durante o qual ambos os transistores T1 e T2 ficam desligados simultaneamente antes de mudar de estado Ele é necessário para evitar curtocircuito na fonte de alimentação pois se os dois transistores conduzissem ao mesmo tempo haveria um curto direto entre os polos positivo e negativo da fonte causando um grande fluxo de corrente indesejado O tempo morto ajuda a proteger os componentes do circuito e melhora a durabilidade do inversor Questão 09 Um inversor monofásico em ponte completa fornece uma saída em onda quadrada para uma carga indutiva pura com um diodo de retorno em paralelo com cada chave Plote as formas de onda para a tensão de saída para a corrente na saída para as correntes nas chaves para as correntes nos diodos e para a fonte de corrente Qual a potência média absorvida pela fonte R Um inversor monofásico em ponte completa gera uma onda quadrada para alimentar uma carga indutiva pura Como há um diodo de retorno em paralelo com cada chave a corrente pode continuar fluindo mesmo quando os transistores são desligados Formas de onda esperadas Tensão de saída 𝑉𝑜 Alterna entre e formando uma onda quadrada 𝑉𝑐𝑐 𝑉𝑐𝑐 Corrente na saída 𝐼𝑜 Para uma carga puramente indutiva a corrente tem uma forma de onda triangular devido à relação entre tensão e corrente em indutores 𝑉 𝐿𝑑 𝑑𝑡 Corrente nos diodos Quando um transistor desliga o diodo correspondente conduz para manter a continuidade da corrente da carga Corrente na fonte A corrente na fonte será pulsada pois flui apenas quando um dos transistores está conduzindo Potência média absorvida pela fonte Como a carga é puramente indutiva a potência ativa absorvida será próxima de zero pois uma carga indutiva ideal armazena e devolve energia ao circuito sem dissipála Questão 10 Sobre os diodos defina a Região de polarização direta R Ocorre quando a anodo do diodo está mais positivo que o catodo O diodo conduz corrente e apresenta uma pequena queda de tensão direta aproximadamente 07V para diodos de silício A corrente aumenta rapidamente conforme a tensão direta aumenta b Região de polarização reversa R Ocorre quando a anodo do diodo está mais negativo que o catodo O diodo não conduz corrente idealmente exceto por uma pequena corrente de fuga c Região de ruptura reversa R Se a tensão reversa ultrapassar o valor máximo suportado pelo diodo ele entra em ruptura e começa a conduzir bruscamente uma grande corrente Isso pode danificar o diodo permanentemente se não houver proteção Em diodos Zener essa característica é usada para regulação de tensão Questão 11 A Figura abaixo representa de maneira geral as características dinâmicas dos diodos Sobre as essas características indique a Qual a situação do diodo que esse gráfico representa R O gráfico representa o tempo de recuperação reversa de um diodo Quando um diodo está conduzindo corrente na polarização direta ele permite a passagem da corrente sem dificuldades No entanto se a tensão for invertida abruptamente mudando para polarização reversa o diodo não interrompe imediatamente a corrente Ele ainda conduz por um curto período antes de bloquear completamente a corrente reversa Esse comportamento é devido às cargas armazenadas na junção do diodo que precisam ser removidas antes que ele possa bloquear totalmente a corrente reversa Esse tempo de resposta é chamado de tempo de recuperação reversa trr b Defina as principais características expressas no gráfico acima R O gráfico mostra três fases principais na recuperação reversa do diodo Fase de condução direta t t1 O diodo conduz corrente normalmente na polarização direta A tensão no diodo é 𝐼𝐿 𝑉𝐷 pequena pois ele está ligado e permite a passagem da corrente Momento da inversão de polaridade t t1 A tensão no diodo começa a inverter A corrente não para instantaneamente pois o diodo ainda possui cargas 𝐼𝐹 armazenadas Corrente de recuperação reversa IRM t1 t t2 A corrente se torna negativa ou seja flui no sentido oposto A corrente reversa atinge um pico negativo chamado de corrente de recuperação reversa máxima IRM Esse efeito ocorre porque as cargas armazenadas no diodo precisam ser removidas Fim do tempo de recuperação reversa t t2 Após 2 a corrente reversa começa a 𝑡 diminuir até se tornar praticamente zero O diodo agora pode bloquear completamente a corrente reversa O tempo total de recuperação reversa é chamado de tempo de recuperação reversa 𝑡𝑟𝑟 Tensão inversa de bloqueio t t2 O diodo finalmente entra no seu estado de bloqueio total impedindo a passagem da corrente reversa c Relacione a Carga reversa QRR com a corrente de recuperação reversa R Representa a quantidade total de carga elétrica armazenada na junção do diodo e que precisa ser removida antes que ele consiga bloquear a corrente reversa No gráfico é a área sombreada abaixo da curva da corrente reversa 𝑄𝑅𝑅 Quanto maior for essa carga armazenada maior será a corrente de recuperação reversa 𝐼𝑅𝑀 e o tempo necessário para o diodo desligar completamente Essa carga reversa depende do tipo de diodo Diodos comuns de junção PN possuem um tempo de recuperação alto pois armazenam mais carga Diodos Schottky possuem recuperação rápida pois armazenam menos carga d Os gráficos abaixo representam uma recuperação suave e uma recuperação abrupta indique a diferença entre as duas situações em relação ao tempo trr e o ta R Os dois gráficos na parte inferior da questão mostram dois tipos de comportamento na recuperação reversa do diodo Recuperação suave soft recovery A corrente reversa diminui de forma gradual e controlada Isso reduz o risco de ruídos elétricos e interferências no circuito O tempo total de recuperação e o tempo de atenuação são maiores mas o sistema 𝑡𝑟𝑟 𝑡𝑎 opera de forma mais estável Recuperação abrupta hard recovery A corrente reversa cai de forma brusca e rápida Isso pode gerar picos de tensão e interferências eletromagnéticas Embora o tempo de recuperação seja menor pode causar problemas em circuitos sensíveis Conclusão Se o tempo trr for longo a recuperação será mais suave e menos agressiva para o circuito Se for curto e muito pequeno a recuperação será abrupta podendo gerar picos de 𝑡𝑟𝑟 𝑡𝑎 corrente e tensão prejudiciais