Eletrônica de Potência - Lista de Exercícios sobre Componentes e Circuitos

LISTA 1 ENG1452 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1 Qual é a característica do controle de um IGBT 2 Quais as diferenças entre os BJTs e os IGBTs 3 Quais as características de controle de um GTO 4 Qual a diferença entre um TRIAC e um SCR 5 Como se dá a comutação de um DIODO comum 6 O que é o tempo de desligamento de um tiristor 7 Cite dois tipos de diodos e suas diferenças 8 O que é a corrente de fuga dos diodos 9 Quais as diferenças entre os diodos de junção PN e os Schottky 10 Quais os problemas de diodos conectados em paralelo E em série 11 O que é zona de depleção 12 O Transistor da figura abaixo possui β na faixa de 8 a 40 A resistência de carga é RC 11Ω A tensão de alimentação VCC200V e a tensão VB10V Se VCEsat10V e VBEsat15V ache A RB para sobreexitação de 5 B Perda de potencia no transistor 13 Para o circuito do exercício 12 com β na faixa de 10 a 60 A resistência de carga é RC 5Ω A tensão de alimentação VCC100V e a tensão VB8V Se VCEsat25V e VBEsat175V ache A RB para sobreexitação de 20 B Perda de potencia no transistor 14 O que são MOSFETs e quais suas vantagens e desvantagens 15 Por que os MOSFETs não precisam de tensão negativa na porta durante o desligamento 16 Quais os tipos de MOSFETs e suas diferenças 17 O que é ruptura secundária dos BJTs 18 Quais as três regiões de trabalho dos BJTs 19 Quais as diferenças entre os transistores PNP e NPN 20 O que são SNUBBERs 21 O que são CHOPPERs 22 Qual o princípio de operação de um CHOPPER abaixador 23 Quais os tipos de controle de um CHOPPER e suas vantagens e desvantagens 24 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados R10Ω Vs220V Vch3V k07 A Va do circuito B Vf do circuito C Potência de saída 25 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados R50Ω Vs380V Vch8V k06 A Va do circuito B Vf do circuito C Potência de saída 26 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R5Ω L75mH f1kHz e E0V A Corrente I1 B Corrente I2 C Corrente média da carga 27 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R10Ω L155mH f5kHz e E20V A Corrente I1 B Corrente I2 C Corrente média da carga 28 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R02Ω Ia200A f200kHz T5ms e E10V A O valor de L para que a ondulação de corrente máxima chegue a 10 de Ia 29 Quais as diferenças entre um regulador BUCK e um Buckboost 30 Quais as vantagens e desvantagens de um CHOPPER de pulso ressonante LISTA 1 ENG1452 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1 Qual é a característica do controle de um IGBT O IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor é um dispositivo semicondutor de potência que combina características do MOSFET Transistor de Efeito de Campo de MetalÓxido Semicondutor e do BJT Transistor Bipolar de Junção As principais características de controle de um IGBT incluem I Tensão de controle Os IGBTs são controlados por uma tensão aplicada ao seu portão gate semelhante aos MOSFETs II Corrente de controle baixa Eles requerem uma corrente de controle relativamente baixa para ativar e desativar III Alta capacidade de corrente Os IGBTs podem lidar com altas correntes tornando os adequados para aplicações de alta potência IV Tensão de bloqueio inversa Assim como os BJTs os IGBTs têm uma queda de tensão Vce baixa quando ligados mas podem bloquear tensão inversa como os MOSFETs V Comutação mais lenta Os IGBTs têm comutação mais lenta em comparação com os MOSFETs devido à presença de junções PN em seu design 2 Quais as diferenças entre os BJTs e os IGBTs I Os BJTs são transistores unipolares enquanto os IGBTs são bipolares com características de controle semelhantes às dos MOSFETs são geralmente usados para aplicações de baixa a média potência enquanto os IGBTs são usados em aplicações de alta potência têm uma queda de tensão menor quando conduzem em comparação com os BJTs II Eles podem ser controlados por corrente na base enquanto os IGBTs são controlados por tensão no gate Os IGBTs possuem alta impedância de entrada enquanto os BJTs possuem baixa impedância de entrada III Por fim os IGBTs são mais adequados para aplicações de chaveamento de alta potência como inversores de frequência e controles de motor devido à sua capacidade de comutação de alta corrente 3 Quais as características de controle de um GTO I Os GTOs são dispositivos semicondutores de potência utilizados para chaveamento de alta potência em sistemas de energia eles podem ser ativados por uma tensão de gate e desativados por uma tensão negativa de gate II Os GTOs são capazes de controlar a corrente de saída uma vez ativados permitindo a interrupção da condução de forma controlada III Eles têm a capacidade de comutação bidirecional o que os torna adequados para aplicações em que a corrente pode fluir em ambas as direções 4 Qual a diferença entre um TRIAC e um SCR I Ambos são dispositivos semicondutores usados para controle de potência em circuitos AC II O SCR é unidirecional e só pode controlar o fluxo de corrente em uma direção meio ciclo da onda AC enquanto o TRIAC é bidirecional e pode controlar o fluxo de corrente em ambas as direções III O TRIAC é mais adequado para aplicações de controle de fase em dispositivos AC como reguladores de luz onde é necessário controlar a potência durante ambos os semiciclos da onda AC IV O SCR é usado em aplicações de retificação controlada e pode ser usado para converter AC em DC 5 Como se dá a comutação de um DIODO comum I Um diodo é um dispositivo semicondutor que permite a passagem de corrente elétrica em apenas uma direção II A comutação de um diodo comum ocorre instantaneamente quando a tensão aplicada à sua junção PN é reversa e maior do que sua tensão de ruptura reversa tensão de pico inversa máxima III Quando a tensão reversa aplicada excede a tensão de ruptura a junção PN do diodo entra em avalanche e a corrente flui na direção inversa IV É importante evitar que a tensão reversa exceda o limite especificado para o diodo pois isso pode danificálo permanentemente Portanto a comutação em diodos é tipicamente considerada instantânea quando operados dentro de suas especificações 6 O que é o tempo de desligamento de um tiristor O tempo de desligamento de um tiristor se refere ao tempo que leva para o tiristor passar do estado de condução para o estado de bloqueio ou desligamento após a remoção do gatilho disparo Esse tempo é chamado de tempo de desligamento ou tempo de recuperação e é importante em aplicações onde a rápida interrupção da corrente é necessária para evitar danos aos componentes ou sistemas 7 Cite dois tipos de diodos e suas diferenças I Diodo de Junção PN Este é o tipo mais comum de diodo e é feito de material semicondutor geralmente silício Ele possui uma junção PN onde uma região dopada com impurezas tipo P se encontra com uma região dopada com impurezas tipo N A principal característica deste diodo é a queda de tensão direta VF que é em torno de 07 volts para diodos de silício II Diodo Schottky O diodo Schottky é construído usando uma junção metal semicondutor em vez de uma junção PN A principal diferença é que ele tem uma menor queda de tensão direta VF em comparação com os diodos de junção PN geralmente cerca de 03 volts Isso o torna adequado para aplicações de alta frequência e baixa perda de energia mas ele tende a ter uma maior corrente reversa de fuga IR 8 O que é a corrente de fuga dos diodos A corrente de fuga dos diodos também conhecida como corrente reversa de fuga é uma pequena corrente elétrica que flui através de um diodo quando ele está polarizado reversamente ou seja quando a tensão aplicada é negativa em relação à polarização direta normal Essa corrente é indesejada e idealmente deve ser muito baixa especialmente em aplicações onde a corrente reversa precisa ser minimizada A magnitude da corrente de fuga depende do tipo de diodo e da qualidade de fabricação e geralmente é especificada pelo fabricante 9 Quais as diferenças entre os diodos de junção PN e os Schottky I Queda de tensão direta VF Os diodos de junção PN geralmente têm uma queda de tensão direta maior cerca de 07 V para diodos de silício enquanto os diodos Schottky têm uma queda de tensão direta menor cerca de 03 V tornando os diodos Schottky mais eficientes em termos de perda de energia II Corrente reversa de fuga IR Os diodos Schottky tendem a ter uma corrente reversa de fuga maior em comparação com os diodos de junção PN Isso significa que eles podem permitir uma pequena quantidade de corrente quando reversamente polarizados o que pode afetar algumas aplicações de alta precisão III Velocidade de comutação Os diodos Schottky geralmente têm uma resposta mais rápida em termos de comutação de polarização em comparação com os diodos de junção PN tornandoos adequados para aplicações de alta frequência 10 Quais os problemas de diodos conectados em paralelo E em série I Em Paralelo Quando diodos estão conectados em paralelo a corrente tende a se dividir entre eles de acordo com suas características individuais o que pode resultar em desequilíbrio e sobrecarga em um dos diodos se eles não forem idênticos Diodos em paralelo podem apresentar diferenças de características de condução e resistência térmica o que pode levar a problemas de dissipação de calor desigual e possíveis falhas Para evitar problemas em diodos conectados em paralelo é comum o uso de resistores de equalização de corrente para distribuir uniformemente a carga entre eles II Em Série Quando diodos estão conectados em série a tensão aplicada se divide entre eles Se a tensão aplicada exceder a classificação de tensão reversa de qualquer um dos diodos ele pode entrar em ruptura o que pode levar à falha do diodo e ao circuito não funcionar conforme o esperado A queda de tensão direta dos diodos também se soma quando estão em série o que pode afetar o desempenho do circuito especialmente em aplicações sensíveis à tensão 11 O que é zona de depleção A zona de depleção é uma região em um dispositivo semicondutor como um diodo ou um transistor onde a quantidade de portadores de carga elétrons e lacunas é significativamente reduzida devido a um processo conhecido como depleção A depleção ocorre quando uma diferença de potencial tensão é aplicada ao dispositivo Ela é mais comumente associada a diodos semicondutores Quando uma tensão é aplicada a um diodo os elétrons fluem da região de baixa concentração de portadores de carga a zona de depleção para a região de alta concentração criando uma corrente elétrica No entanto à medida que os elétrons se movem para a região de alta concentração eles deixam para trás íons carregados positivamente na zona de depleção Isso cria uma região que é carregada positivamente na extremidade onde os elétrons estão fluindo e carregada negativamente na extremidade oposta Conforme a tensão aumenta a zona de depleção também aumenta em largura tornando mais difícil para os elétrons atravessála Quando a tensão atinge um certo valor crítico chamado de tensão de ruptura ou tensão de junção a zona de depleção se torna tão larga que a corrente elétrica praticamente cessa de fluir no diodo Isso é o que impede o fluxo de corrente reversa em um diodo em polarização reversa 12 O Transistor da figura abaixo possui β na faixa de 8 a 40 A resistência de carga é RC 11Ω A tensão de alimentação VCC200V e a tensão VB10V Se VCEsat10V e VBEsat15V ache A RB para sobreexitação de 5 B Perda de potencia no transistor 13 Para o circuito do exercício 12 com β na faixa de 10 a 60 A resistência de carga é RC 5Ω A tensão de alimentação VCC100V e a tensão VB8V Se VCEsat25V e VBEsat175V ache A RB para sobreexitação de 20 B Perda de potencia no transistor 14 O que são MOSFETs e quais suas vantagens e desvantagens MOSFETs ou Transistores de Efeito de Campo de MetalOxidoSemicondutor são dispositivos eletrônicos utilizados como interruptores ou amplificadores em circuitos eletrônicos Eles são um tipo de transistor que opera com base no controle do campo elétrico em uma região semicondutora Aqui estão algumas vantagens e desvantagens dos MOSFETs I Vantagens a Alta impedância de entrada Os MOSFETs têm uma impedância de entrada extremamente alta o que significa que eles consomem muito pouca corrente na porta de controle b Baixo consumo de energia Eles consomem pouca energia quando na forma de corte desligado e podem ser eficientes em aplicações de baixa potência c Velocidade de comutação rápida MOSFETs podem ligar e desligar rapidamente tornandoos úteis em circuitos de alta frequência d Ausência de corrente de base Ao contrário dos transistores bipolares os MOSFETs não exigem uma corrente de base contínua para operar II Desvantagens a Sensíveis à ESD MOSFETs são sensíveis a descargas eletrostáticas ESD e podem ser danificados facilmente por descargas de eletricidade estática b Tensão de polarização Eles geralmente requerem uma tensão de polarização constante na porta para mantêlos na região de condução c Tensão de limiar MOSFETs precisam de uma tensão de controle mínima tensão de limiar para começar a conduzir d Sensibilidade à temperatura A temperatura pode afetar o desempenho dos MOSFETs reduzindo a mobilidade dos portadores de carga em altas temperaturas 15 Por que os MOSFETs não precisam de tensão negativa na porta durante o desligamento Os MOSFETs não precisam de tensão negativa na porta durante o desligamento porque eles são dispositivos controlados por tensão e não por corrente Quando uma tensão positiva é aplicada à porta do MOSFET ele entra na região de condução ligado permitindo que a corrente flua entre o dreno e a fonte Para desligálo basta reduzir a tensão na porta abaixo da tensão de limiar e o MOSFET cortará a condução Não é necessário uma tensão negativa pois apenas a diferença de tensão importa para controlar o dispositivo 16 Quais os tipos de MOSFETs e suas diferenças I MOSFET de Canal N NMOS Possui um canal de condução entre o dreno e a fonte que é composto por portadores de carga negativa elétrons Eles são controlados por tensão na porta e geralmente operam em aplicações de baixa tensão II MOSFET de Canal P PMOS Similar ao NMOS mas os portadores de carga no canal são lacunas cargas positivas Também são controlados por tensão na porta e são usados em aplicações complementares com NMOS III MOSFET de Efeito de Campo de MetalOxidoSemicondutor de Porta Flutuante CMOS Os CMOS consistem em um par complementar de MOSFETs um NMOS e um PMOS que são usados em conjunto para criar circuitos lógicos e eletrônicos de baixa potência IV MOSFET de Potência Projetados para lidar com altas correntes e tensões são usados em amplificadores de potência conversores de energia e dispositivos de controle de motor entre outros As principais diferenças entre esses tipos de MOSFETs estão no tipo de canal N ou P na polaridade de tensão na porta e nas aplicações específicas em que são utilizados 17 O que é ruptura secundária dos BJTs A ruptura secundária dos BJTs Transistores Bipolares de Junção ocorre quando o transistor está operando em sua região de saturação mas uma alta tensão reversa é aplicada entre o coletor e o emissor ou entre o coletor e a base Isso pode resultar em uma avalanche de portadores de carga e danos ao transistor levando à sua destruição A ruptura secundária é um fenômeno indesejado e deve ser evitada ao projetar circuitos com transistores BJT 18 Quais as três regiões de trabalho dos BJTs I Região de Corte Cutoff Nessa região o transistor está desligado e não há corrente significativa entre o coletor e o emissor ou seja Ic 0 A baseemissor Vbe está abaixo da tensão de corte II Região Ativa Active Nessa região o transistor está operando de forma ativa como um amplificador Existe uma corrente significativa entre o coletor e o emissor Ic e a tensão baseemissor Vbe é suficiente para polarizar a junção baseemissor III Região de Saturação Saturation Nessa região o transistor está completamente ligado e a corrente entre o coletor e o emissor está no máximo Ic é máximo A tensão baseemissor Vbe é suficientemente alta para manter a junção baseemissor polarizada 19 Quais as diferenças entre os transistores PNP e NPN I Transistor NPN Corrente flui do emissor para o coletor quando a junção baseemissor é polarizada diretamente É usado em circuitos em que a corrente flui da base para o emissor para controlar a corrente entre o coletor e o emissor II Transistor PNP Corrente flui do coletor para o emissor quando a junção baseemissor é polarizada diretamente É usado em circuitos em que a corrente flui da base para o emissor para controlar a corrente entre o coletor e o emissor mas com polaridades opostas ao NPN 20 O que são SNUBBERs SNUBBERs são dispositivos eletrônicos ou redes de componentes que são usados para suprimir picos de tensão ou corrente em circuitos elétricos Eles são frequentemente usados em circuitos de comutação como relés diodos transistores ou tiristores SCRs para reduzir o ruído elétrico proteger componentes sensíveis e evitar danos por sobretensão 21 O que são CHOPPERs CHOPPERs são dispositivos eletrônicos usados para controlar a velocidade de motores elétricos ou regular a tensão em circuitos de corrente contínua CC Eles operam através da comutação controlada de transistores ou tiristores para converter uma tensão de entrada CC em uma tensão de saída CC ajustável 22 Qual o princípio de operação de um CHOPPER abaixador O princípio de operação de um CHOPPER abaixador envolve a comutação controlada de um transistor ou tiristor em série com a carga Quando o transistor está ligado em condução a corrente flui da fonte de alimentação para a carga resultando em uma tensão de saída menor Quando o transistor está desligado em corte a corrente é interrompida e a tensão de saída é zero Ao controlar a taxa de comutação ciclo de trabalho do transistor é possível regular a tensão média de saída e assim controlar a velocidade do motor ou a tensão de saída 23 Quais os tipos de controle de um CHOPPER e suas vantagens e desvantagens I Controle PWM Modulação por largura de pulso Controla a tensão média de saída variando o ciclo de trabalho do sinal PWM Vantagem alta eficiência resposta rápida Desvantagem pode gerar ruído elétrico II Controle de fase Controla a tensão de saída variando o ângulo de disparo dos tiristores Vantagem baixo ruído elétrico Desvantagem menor eficiência em comparação com o controle PWM III Controle de frequência Controla a frequência de comutação dos dispositivos de comutação Vantagem permite maior controle sobre a resposta dinâmica Desvantagem pode ser complexo e menos eficiente em altas frequências 24 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados R10Ω Vs220V Vch3V k07 A Va do circuito 𝑉𝑎 𝑘 𝑉𝑠 𝑉𝑎 07 220 𝑉𝑎 150 𝑉 B Vf do circuito 𝑉𝑜 𝑘 𝑉𝑠 𝑉𝑜 07 220 𝑉𝑜 18407 𝑉 C Potência de saída 𝑃 𝑘 𝑉𝑠 2 𝑅 𝑃 07 2202 10 𝑃 3388 𝑊 25 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados R50Ω Vs380V Vch8V k06 A Va do circuito 𝑉𝑎 𝑘 𝑉𝑠 𝑉𝑎 06 380 𝑉𝑎 228 𝑉 B Vf do circuito 𝑉𝑜 𝑘 𝑉𝑠 𝑉𝑜 06 380 𝑉𝑜 29435 𝑉 C Potência de saída 𝑃 𝑘 𝑉𝑠 2 𝑅 𝑃 06 3802 10 𝑃 17328 𝑊 26 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R5Ω L75mH f1kHz e E0V A Corrente I1 I Passo 1 𝐼2 𝐼1 𝑒 𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝑉𝑠 𝐸 𝑅 1 𝑒 𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐼2 𝐼1 𝑒 05 1 10005 75103 220 0 5 1 𝑒 05 1 10005 75103 𝐼2 𝐼1 07165 12473 1 II Passo 2 𝐼1 𝐼2 𝑒 1𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐸 𝑅 1 𝑒 1𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐼1 𝐼2 𝑒 105100015 75103 0 5 1 𝑒 1𝑘𝑇𝑅 𝐿 0 𝐼1 𝐼2 07165 2 III Passo 3 𝐼1 𝐼1 07165 12473 07165 𝐼1 𝐼1 05133 89369 04867𝐼1 89369 𝐼1 89369 04867 𝐼1 18362 𝐴 B Corrente I2 𝐼2 𝐼1 07165 12473 𝐼2 18362 07165 12473 𝐼2 25629 C Corrente média da carga 𝐼𝑎 𝐼2 𝐼1 2 𝐼𝑎 26629 18362 2 𝐼𝑎 2250 𝐴 27 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R10Ω L155mH f5kHz e E20V A Corrente I1 IV Passo 1 𝐼2 𝐼1 𝑒 𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝑉𝑠 𝐸 𝑅 1 𝑒 𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐼2 𝐼1 𝑒 05 1 100010 155103 220 20 10 1 𝑒 05 1 100010 155103 𝐼2 𝐼1 07242 5514 1 V Passo 2 𝐼1 𝐼2 𝑒 1𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐸 𝑅 1 𝑒 1𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐼1 𝐼2 𝑒 105100015 75103 20 10 1 𝑒 1𝑘𝑇𝑅 𝐿 𝐼1 𝐼2 07242 05516 2 VI Passo 3 𝐼1 𝐼1 07242 5514 07242 05516 𝐼1 𝐼1 05245 4 04755𝐼1 4 𝐼1 04755 4 𝐼1 0119 𝐴 D Corrente I2 𝐼2 𝐼1 07242 5514 𝐼2 0119 07242 5514 𝐼2 5600 E Corrente média da carga 𝐼𝑎 𝐼2 𝐼1 2 𝐼𝑎 5600 0119 2 𝐼𝑎 2860 𝐴 28 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R02Ω Ia200A f200kHz T5ms e E10V A O valor de L para que a ondulação de corrente máxima chegue a 10 de Ia I Considerando que a corrente da carga tem um crescimento linear temos que Δ𝑖 𝑉𝑠1 𝑘 𝐿 𝑘𝑇 II Considerando a pior condição de ondulação temos que 𝑑Δ𝑖 𝑑𝑘 0 Logo 𝑘 05 III Assim Δ𝑖 𝐿 20 𝐿 𝐿 5501 05 05 0004 20 𝐿 275𝑚𝐻 29 Quais as diferenças entre um regulador BUCK e um Buckboost I Regulador BUCK Um regulador BUCK é um tipo de conversor DCDC que reduz a tensão de entrada para uma tensão de saída menor É usado quando a tensão de saída precisa ser menor do que a tensão de entrada A eficiência geralmente é maior em comparação com um Buckboost para aplicações onde a tensão de saída é menor que a tensão de entrada II Buckboost Um Buckboost é outro tipo de conversor DCDC que pode tanto reduzir quanto aumentar a tensão de entrada para obter uma tensão de saída desejada É usado quando a tensão de saída pode ser menor ou maior do que a tensão de entrada dependendo das condições de operação A principal vantagem do Buckboost é sua versatilidade em lidar com uma ampla faixa de tensões de entrada tornandoo adequado para aplicações onde a tensão de saída precisa ser ajustada dinamicamente 30 Quais as vantagens e desvantagens de um CHOPPER de pulso ressonante Choppers de pulso ressonante são conversores DCDC que operam em modo de comutação com ressonância o que significa que eles usam oscilações naturais na corrente ou tensão para melhorar a eficiência Aqui estão algumas vantagens e desvantagens desses dispositivos I Vantagens Alta eficiência Choppers de pulso ressonante podem oferecer eficiência significativamente maior em comparação com outros conversores DCDC convencionais como os reguladores lineares ou Buck padrão especialmente em cargas leves e médias Menor estresse nos componentes Devido à operação em modo de ressonância os componentes como os indutores e capacitores tendem a sofrer menos estresse e desgaste em comparação com outros conversores Melhor controle de tensão e corrente Eles podem fornecer um controle mais preciso da tensão de saída e da corrente tornandoos adequados para aplicações sensíveis à precisão de regulação II Desvantagens Complexidade do projeto Os choppers de pulso ressonante geralmente envolvem projetos mais complexos em comparação com os conversores DCDC convencionais Isso pode aumentar o custo e a complexidade da implementação Ressonância não desejada Em algumas situações a ressonância pode não ser desejada e pode causar problemas como oscilações não controladas no sistema Maior custo inicial Os componentes específicos necessários para a operação de um chopper de pulso ressonante como transformadores ressonantes podem ser mais caros do que os componentes usados em conversores DCDC convencionais LISTA 1 ENG1452 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1 Qual é a característica do controle de um IGBT O IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor é um dispositivo semicondutor de potência que combina características do MOSFET Transistor de Efeito de Campo de Metal ÓxidoSemicondutor e do BJT Transistor Bipolar de Junção As principais características de controle de um IGBT incluem I Tensão de controle Os IGBTs são controlados por uma tensão aplicada ao seu portão gate semelhante aos MOSFETs II Corrente de controle baixa Eles requerem uma corrente de controle relativamente baixa para ativar e desativar III Alta capacidade de corrente Os IGBTs podem lidar com altas correntes tornandoos adequados para aplicações de alta potência IV Tensão de bloqueio inversa Assim como os BJTs os IGBTs têm uma queda de tensão Vce baixa quando ligados mas podem bloquear tensão inversa como os MOSFETs V Comutação mais lenta Os IGBTs têm comutação mais lenta em comparação com os MOSFETs devido à presença de junções PN em seu design 2 Quais as diferenças entre os BJTs e os IGBTs I Os BJTs são transistores unipolares enquanto os IGBTs são bipolares com características de controle semelhantes às dos MOSFETs são geralmente usados para aplicações de baixa a média potência enquanto os IGBTs são usados em aplicações de alta potência têm uma queda de tensão menor quando conduzem em comparação com os BJTs II Eles podem ser controlados por corrente na base enquanto os IGBTs são controlados por tensão no gate Os IGBTs possuem alta impedância de entrada enquanto os BJTs possuem baixa impedância de entrada III Por fim os IGBTs são mais adequados para aplicações de chaveamento de alta potência como inversores de frequência e controles de motor devido à sua capacidade de comutação de alta corrente 3 Quais as características de controle de um GTO I Os GTOs são dispositivos semicondutores de potência utilizados para chaveamento de alta potência em sistemas de energia eles podem ser ativados por uma tensão de gate e desativados por uma tensão negativa de gate II Os GTOs são capazes de controlar a corrente de saída uma vez ativados permitindo a interrupção da condução de forma controlada III Eles têm a capacidade de comutação bidirecional o que os torna adequados para aplicações em que a corrente pode fluir em ambas as direções 4 Qual a diferença entre um TRIAC e um SCR I Ambos são dispositivos semicondutores usados para controle de potência em circuitos AC II O SCR é unidirecional e só pode controlar o fluxo de corrente em uma direção meio ciclo da onda AC enquanto o TRIAC é bidirecional e pode controlar o fluxo de corrente em ambas as direções III O TRIAC é mais adequado para aplicações de controle de fase em dispositivos AC como reguladores de luz onde é necessário controlar a potência durante ambos os semiciclos da onda AC IV O SCR é usado em aplicações de retificação controlada e pode ser usado para converter AC em DC 5 Como se dá a comutação de um DIODO comum I Um diodo é um dispositivo semicondutor que permite a passagem de corrente elétrica em apenas uma direção II A comutação de um diodo comum ocorre instantaneamente quando a tensão aplicada à sua junção PN é reversa e maior do que sua tensão de ruptura reversa tensão de pico inversa máxima III Quando a tensão reversa aplicada excede a tensão de ruptura a junção PN do diodo entra em avalanche e a corrente flui na direção inversa IV É importante evitar que a tensão reversa exceda o limite especificado para o diodo pois isso pode danificálo permanentemente Portanto a comutação em diodos é tipicamente considerada instantânea quando operados dentro de suas especificações 6 O que é o tempo de desligamento de um tiristor O tempo de desligamento de um tiristor se refere ao tempo que leva para o tiristor passar do estado de condução para o estado de bloqueio ou desligamento após a remoção do gatilho disparo Esse tempo é chamado de tempo de desligamento ou tempo de recuperação e é importante em aplicações onde a rápida interrupção da corrente é necessária para evitar danos aos componentes ou sistemas 7 Cite dois tipos de diodos e suas diferenças I Diodo de Junção PN Este é o tipo mais comum de diodo e é feito de material semicondutor geralmente silício Ele possui uma junção PN onde uma região dopada com impurezas tipo P se encontra com uma região dopada com impurezas tipo N A principal característica deste diodo é a queda de tensão direta VF que é em torno de 07 volts para diodos de silício II Diodo Schottky O diodo Schottky é construído usando uma junção metal semicondutor em vez de uma junção PN A principal diferença é que ele tem uma menor queda de tensão direta VF em comparação com os diodos de junção PN geralmente cerca de 03 volts Isso o torna adequado para aplicações de alta frequência e baixa perda de energia mas ele tende a ter uma maior corrente reversa de fuga IR 8 O que é a corrente de fuga dos diodos A corrente de fuga dos diodos também conhecida como corrente reversa de fuga é uma pequena corrente elétrica que flui através de um diodo quando ele está polarizado reversamente ou seja quando a tensão aplicada é negativa em relação à polarização direta normal Essa corrente é indesejada e idealmente deve ser muito baixa especialmente em aplicações onde a corrente reversa precisa ser minimizada A magnitude da corrente de fuga depende do tipo de diodo e da qualidade de fabricação e geralmente é especificada pelo fabricante 9 Quais as diferenças entre os diodos de junção PN e os Schottky I Queda de tensão direta VF Os diodos de junção PN geralmente têm uma queda de tensão direta maior cerca de 07 V para diodos de silício enquanto os diodos Schottky têm uma queda de tensão direta menor cerca de 03 V tornando os diodos Schottky mais eficientes em termos de perda de energia II Corrente reversa de fuga IR Os diodos Schottky tendem a ter uma corrente reversa de fuga maior em comparação com os diodos de junção PN Isso significa que eles podem permitir uma pequena quantidade de corrente quando reversamente polarizados o que pode afetar algumas aplicações de alta precisão III Velocidade de comutação Os diodos Schottky geralmente têm uma resposta mais rápida em termos de comutação de polarização em comparação com os diodos de junção PN tornandoos adequados para aplicações de alta frequência 10 Quais os problemas de diodos conectados em paralelo E em série I Em Paralelo Quando diodos estão conectados em paralelo a corrente tende a se dividir entre eles de acordo com suas características individuais o que pode resultar em desequilíbrio e sobrecarga em um dos diodos se eles não forem idênticos Diodos em paralelo podem apresentar diferenças de características de condução e resistência térmica o que pode levar a problemas de dissipação de calor desigual e possíveis falhas Para evitar problemas em diodos conectados em paralelo é comum o uso de resistores de equalização de corrente para distribuir uniformemente a carga entre eles II Em Série Quando diodos estão conectados em série a tensão aplicada se divide entre eles Se a tensão aplicada exceder a classificação de tensão reversa de qualquer um dos diodos ele pode entrar em ruptura o que pode levar à falha do diodo e ao circuito não funcionar conforme o esperado A queda de tensão direta dos diodos também se soma quando estão em série o que pode afetar o desempenho do circuito especialmente em aplicações sensíveis à tensão 11 O que é zona de depleção A zona de depleção é uma região em um dispositivo semicondutor como um diodo ou um transistor onde a quantidade de portadores de carga elétrons e lacunas é significativamente reduzida devido a um processo conhecido como depleção A depleção ocorre quando uma diferença de potencial tensão é aplicada ao dispositivo Ela é mais comumente associada a diodos semicondutores Quando uma tensão é aplicada a um diodo os elétrons fluem da região de baixa concentração de portadores de carga a zona de depleção para a região de alta concentração criando uma corrente elétrica No entanto à medida que os elétrons se movem para a região de alta concentração eles deixam para trás íons carregados positivamente na zona de depleção Isso cria uma região que é carregada positivamente na extremidade onde os elétrons estão fluindo e carregada negativamente na extremidade oposta Conforme a tensão aumenta a zona de depleção também aumenta em largura tornando mais difícil para os elétrons atravessála Quando a tensão atinge um certo valor crítico chamado de tensão de ruptura ou tensão de junção a zona de depleção se torna tão larga que a corrente elétrica praticamente cessa de fluir no diodo Isso é o que impede o fluxo de corrente reversa em um diodo em polarização reversa 12O Transistor da figura abaixo possui β na faixa de 8 a 40 A resistência de carga é RC 11Ω A tensão de alimentação VCC200V e a tensão VB10V Se VCEsat10V e VBEsat15V ache A RB para sobreexitação de 5 B Perda de potencia no transistor 13Para o circuito do exercício 12 com β na faixa de 10 a 60 A resistência de carga é RC 5Ω A tensão de alimentação VCC100V e a tensão VB8V Se VCEsat25V e VBEsat175V ache A RB para sobreexitação de 20 B Perda de potencia no transistor 14 O que são MOSFETs e quais suas vantagens e desvantagens MOSFETs ou Transistores de Efeito de Campo de MetalOxidoSemicondutor são dispositivos eletrônicos utilizados como interruptores ou amplificadores em circuitos eletrônicos Eles são um tipo de transistor que opera com base no controle do campo elétrico em uma região semicondutora Aqui estão algumas vantagens e desvantagens dos MOSFETs I Vantagens a Alta impedância de entrada Os MOSFETs têm uma impedância de entrada extremamente alta o que significa que eles consomem muito pouca corrente na porta de controle b Baixo consumo de energia Eles consomem pouca energia quando na forma de corte desligado e podem ser eficientes em aplicações de baixa potência c Velocidade de comutação rápida MOSFETs podem ligar e desligar rapidamente tornandoos úteis em circuitos de alta frequência d Ausência de corrente de base Ao contrário dos transistores bipolares os MOSFETs não exigem uma corrente de base contínua para operar II Desvantagens a Sensíveis à ESD MOSFETs são sensíveis a descargas eletrostáticas ESD e podem ser danificados facilmente por descargas de eletricidade estática b Tensão de polarização Eles geralmente requerem uma tensão de polarização constante na porta para mantêlos na região de condução c Tensão de limiar MOSFETs precisam de uma tensão de controle mínima tensão de limiar para começar a conduzir d Sensibilidade à temperatura A temperatura pode afetar o desempenho dos MOSFETs reduzindo a mobilidade dos portadores de carga em altas temperaturas 15Por que os MOSFETs não precisam de tensão negativa na porta durante o desligamento Os MOSFETs não precisam de tensão negativa na porta durante o desligamento porque eles são dispositivos controlados por tensão e não por corrente Quando uma tensão positiva é aplicada à porta do MOSFET ele entra na região de condução ligado permitindo que a corrente flua entre o dreno e a fonte Para desligálo basta reduzir a tensão na porta abaixo da tensão de limiar e o MOSFET cortará a condução Não é necessário uma tensão negativa pois apenas a diferença de tensão importa para controlar o dispositivo 16 Quais os tipos de MOSFETs e suas diferenças I MOSFET de Canal N NMOS Possui um canal de condução entre o dreno e a fonte que é composto por portadores de carga negativa elétrons Eles são controlados por tensão na porta e geralmente operam em aplicações de baixa tensão II MOSFET de Canal P PMOS Similar ao NMOS mas os portadores de carga no canal são lacunas cargas positivas Também são controlados por tensão na porta e são usados em aplicações complementares com NMOS III MOSFET de Efeito de Campo de MetalOxidoSemicondutor de Porta Flutuante CMOS Os CMOS consistem em um par complementar de MOSFETs um NMOS e um PMOS que são usados em conjunto para criar circuitos lógicos e eletrônicos de baixa potência IV MOSFET de Potência Projetados para lidar com altas correntes e tensões são usados em amplificadores de potência conversores de energia e dispositivos de controle de motor entre outros As principais diferenças entre esses tipos de MOSFETs estão no tipo de canal N ou P na polaridade de tensão na porta e nas aplicações específicas em que são utilizados 17 O que é ruptura secundária dos BJTs A ruptura secundária dos BJTs Transistores Bipolares de Junção ocorre quando o transistor está operando em sua região de saturação mas uma alta tensão reversa é aplicada entre o coletor e o emissor ou entre o coletor e a base Isso pode resultar em uma avalanche de portadores de carga e danos ao transistor levando à sua destruição A ruptura secundária é um fenômeno indesejado e deve ser evitada ao projetar circuitos com transistores BJT 18Quais as três regiões de trabalho dos BJTs I Região de Corte Cutoff Nessa região o transistor está desligado e não há corrente significativa entre o coletor e o emissor ou seja Ic 0 A baseemissor Vbe está abaixo da tensão de corte II Região Ativa Active Nessa região o transistor está operando de forma ativa como um amplificador Existe uma corrente significativa entre o coletor e o emissor Ic e a tensão baseemissor Vbe é suficiente para polarizar a junção baseemissor III Região de Saturação Saturation Nessa região o transistor está completamente ligado e a corrente entre o coletor e o emissor está no máximo Ic é máximo A tensão baseemissor Vbe é suficientemente alta para manter a junção baseemissor polarizada 19 Quais as diferenças entre os transistores PNP e NPN I Transistor NPN Corrente flui do emissor para o coletor quando a junção baseemissor é polarizada diretamente É usado em circuitos em que a corrente flui da base para o emissor para controlar a corrente entre o coletor e o emissor II Transistor PNP Corrente flui do coletor para o emissor quando a junção baseemissor é polarizada diretamente É usado em circuitos em que a corrente flui da base para o emissor para controlar a corrente entre o coletor e o emissor mas com polaridades opostas ao NPN 20 O que são SNUBBERs SNUBBERs são dispositivos eletrônicos ou redes de componentes que são usados para suprimir picos de tensão ou corrente em circuitos elétricos Eles são frequentemente usados em circuitos de comutação como relés diodos transistores ou tiristores SCRs para reduzir o ruído elétrico proteger componentes sensíveis e evitar danos por sobretensão 21O que são CHOPPERs CHOPPERs são dispositivos eletrônicos usados para controlar a velocidade de motores elétricos ou regular a tensão em circuitos de corrente contínua CC Eles operam através da comutação controlada de transistores ou tiristores para converter uma tensão de entrada CC em uma tensão de saída CC ajustável 22 Qual o princípio de operação de um CHOPPER abaixador O princípio de operação de um CHOPPER abaixador envolve a comutação controlada de um transistor ou tiristor em série com a carga Quando o transistor está ligado em condução a corrente flui da fonte de alimentação para a carga resultando em uma tensão de saída menor Quando o transistor está desligado em corte a corrente é interrompida e a tensão de saída é zero Ao controlar a taxa de comutação ciclo de trabalho do transistor é possível regular a tensão média de saída e assim controlar a velocidade do motor ou a tensão de saída 23 Quais os tipos de controle de um CHOPPER e suas vantagens e desvantagens I Controle PWM Modulação por largura de pulso Controla a tensão média de saída variando o ciclo de trabalho do sinal PWM Vantagem alta eficiência resposta rápida Desvantagem pode gerar ruído elétrico II Controle de fase Controla a tensão de saída variando o ângulo de disparo dos tiristores Vantagem baixo ruído elétrico Desvantagem menor eficiência em comparação com o controle PWM III Controle de frequência Controla a frequência de comutação dos dispositivos de comutação Vantagem permite maior controle sobre a resposta dinâmica Desvantagem pode ser complexo e menos eficiente em altas frequências 24 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados R10Ω Vs220V Vch3V k07 A Va do circuito V akV sV a07220V a150V B Vf do circuito V okV s V o07220V o184 07V C Potência de saída PkV s 2 R P0 7220 2 10 P3388W 25 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados R50Ω Vs380V Vch8V k06 A Va do circuito V akV sV a06380V a228V B Vf do circuito V okV s V o06380V o29435V C Potência de saída PkV s 2 R P0 6380 2 10 P17328W 26 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R5Ω L75mH f1kHz e E0V A Corrente I1 I Passo 1 I 2I 1e kTR L V sE R 1e kTR L I 2I 1e 05 1 10005 75103 2200 5 1e 05 1 10005 75103 I 2I107165124731 II Passo 2 I 1I 2e 1k TR L E R 1e 1k TR L I 1I 2e 105 1000 15 7 510 3 0 51e 1k TR L 0 I 1I 2071652 III Passo 3 I 1I 10716512473 07165 I 1I10513389369 04867I 189369 I 189369 04867 I 118362 A B Corrente I2 I 2I 10716512473 I 2183620716512473 I 225629 C Corrente média da carga I a I2I 1 2 I a2662918362 2 I a2250 A 27Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R10Ω L155mH f5kHz e E20V A Corrente I1 IV Passo 1 I 2I 1e kTR L V sE R 1e kTR L I 2I 1e 05 1 100010 155103 22020 10 1e 05 1 100010 155103 I 2I 10724255141 V Passo 2 I 1I 2e 1k TR L E R 1e 1k TR L I 1I 2e 105 1000 15 7 510 3 20 101e 1k TR L I 1I 207242055162 VI Passo 3 I 1I 10724255140724205516 I 1I1052454 04755 I 14 I 104755 4 I 10119 A D Corrente I2 I 2I 1072425514 I 20119072425514 I 25600 E Corrente média da carga I a I2I 1 2 I a56000119 2 I a2860 A 28 Dado o circuito da figura abaixo e os dados calcular Dados Vs220V R02Ω Ia200A f200kHz T5ms e E10V A O valor de L para que a ondulação de corrente máxima chegue a 10 de Ia I Considerando que a corrente da carga tem um crescimento linear temos que ΔiV s1k L kT II Considerando a pior condição de ondulação temos que d Δi dk 0 Logo k05 III Assim ΔiL20L L550 105 050004 20 L275mH 29Quais as diferenças entre um regulador BUCK e um Buckboost I Regulador BUCK Um regulador BUCK é um tipo de conversor DCDC que reduz a tensão de entrada para uma tensão de saída menor É usado quando a tensão de saída precisa ser menor do que a tensão de entrada A eficiência geralmente é maior em comparação com um Buckboost para aplicações onde a tensão de saída é menor que a tensão de entrada II Buckboost Um Buckboost é outro tipo de conversor DCDC que pode tanto reduzir quanto aumentar a tensão de entrada para obter uma tensão de saída desejada É usado quando a tensão de saída pode ser menor ou maior do que a tensão de entrada dependendo das condições de operação A principal vantagem do Buckboost é sua versatilidade em lidar com uma ampla faixa de tensões de entrada tornandoo adequado para aplicações onde a tensão de saída precisa ser ajustada dinamicamente 30 Quais as vantagens e desvantagens de um CHOPPER de pulso ressonante Choppers de pulso ressonante são conversores DCDC que operam em modo de comutação com ressonância o que significa que eles usam oscilações naturais na corrente ou tensão para melhorar a eficiência Aqui estão algumas vantagens e desvantagens desses dispositivos I Vantagens Alta eficiência Choppers de pulso ressonante podem oferecer eficiência significativamente maior em comparação com outros conversores DCDC convencionais como os reguladores lineares ou Buck padrão especialmente em cargas leves e médias Menor estresse nos componentes Devido à operação em modo de ressonância os componentes como os indutores e capacitores tendem a sofrer menos estresse e desgaste em comparação com outros conversores Melhor controle de tensão e corrente Eles podem fornecer um controle mais preciso da tensão de saída e da corrente tornandoos adequados para aplicações sensíveis à precisão de regulação II Desvantagens Complexidade do projeto Os choppers de pulso ressonante geralmente envolvem projetos mais complexos em comparação com os conversores DCDC convencionais Isso pode aumentar o custo e a complexidade da implementação Ressonância não desejada Em algumas situações a ressonância pode não ser desejada e pode causar problemas como oscilações não controladas no sistema Maior custo inicial Os componentes específicos necessários para a operação de um chopper de pulso ressonante como transformadores ressonantes podem ser mais caros do que os componentes usados em conversores DCDC convencionais