Eletrônica de Potência - Lista de Exercícios Resolvidos sobre Diodos e SCRs

Em um diodo de junção cuja tensão nominal de trabalho é de 40V corrente nominal de 25A queda de tensão quando ligado de 11V e corrente de fuga quando reversamente polarizado de 10 nA podese dizer que as perdas de potência dessa chave no estado ligado e desligado são respectivamente iguais a a 275W e 004µW b 386W e 01µW c 451W e 0086µW d 542W e 025µW e 691W e 091µW Considerando o circuito retificador trifásico de três pulsos apresentado abaixo sendo Vs 380V e R 16 Ω os valores da corrente máxima nos diodos e do pico da tensão reversa que cada chave deve suportar são respectivamente iguais a a I0 157 A e PIV 353 V b I0 174 A e PIV 311 V c I0 165 A e PIV 500 V d I0 181 A e PIV 380 V e I0 194 A e PIV 537 V O valor mínimo da tensão VIN que acionará o SCR no circuito mostrado abaixo considerando que a corrente de porta necessária seja de 10mA e a tensão porta catado VGK de 08V é a 18 V b 29 V c 48 V d 65 V e 82 V O retificador de onda completa em ponto médio mostrado abaixo possui os seguintes parâmetros Vs 80 V e R 20 Ω Nessas condições a corrente média na carga e a corrente média em cada diodo são iguais a respectivamente a ICC 36 A e ID 18 A b ICC 48 A e ID 27 A c ICC 64 A e ID 38 A d ICC 44 A e ID 54 A e ICC 65 A e ID 45 A No circuito retificador ilustrado abaixo considere que a fonte de tensão é de 120V eficazes com uma carga resistiva de 10Ω Nessas condições a corrente média na carga e o valor de pico da tensão reversa que o diodo deve suportar são iguais a respectivamente a I₀ 54 A e VRRM 170 V b I₀ 68 A e VRRM 120 V c I₀ 75 A e VRRM 220 V d I₀ 91 A e VRRM 180 V e I₀ 10 A e VRRM 115 V Um SCR cujos valores nominais são queda de tensão anodocatodo 15 V tensão de junção portacatodo 06 V corrente da porta 40 mA Se pelo SCR passa uma corrente de 20 A as perdas de potência no estado ligado e na porta são iguais a respectivamente a 45 W e 61 mW b 10 W e 50 mW c 18 W e 40 mW d 25 W e 60 mW e 30 W e 24 mW O retificador de onda completa em ponte ilustrado abaixo tem uma tensão de alimentação Vs 220V e uma resistência de carga de 15 Ω Nessas condições a potência média entregue à carga é de aproximadamente a 12 kW b 18 kW c 26 kW d 33 kW e 41 kW Eletrônica de Potência Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr 2022 Chaves controladas 2 Transistores Bipolares de Junção TBJs Criadores John Bardeen William Shockley and Walter Brattain at Bell Labs 1948 Primeiro transistor fabricado Chaves controladas 3 Transistores Bipolares de Junção TBJs Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ou n a um diodo de junção pn Com duas regiões n e uma região p são formadas duas junções e essa estrutura é conhecida como transistor NPN como mostrado nas figuras seguintes Se forem construídas duas regiões p e uma região n a estrutura é chamada transistor PNP Chaves controladas 4 Transistores Bipolares de Junção TBJs Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ou n a um diodo de junção pn Com duas regiões n e uma região p são formadas duas junções e essa estrutura é conhecida como transistor NPN como mostrado nas figuras seguintes Se forem construídas duas regiões p e uma região n a estrutura é chamada transistor PNP Transistores NPN Rashid 1999 Chaves controladas 5 Transistores Bipolares de Junção TBJs Princípio de funcionamento vídeo com áudio em inglês e legendas em português httpswwwyoutubecomwatchv7ukDKVHnac4 Curva característica I V Conforme a polarização um transistor pode operar em três regiões distintas Região de Corte Região Ativa ou de proporcionalidade Região de Saturação Nas regiões de corte e saturação é utilizado como chave ou seja serve apenas para comutação conduzir ou não conduzir Chaves controladas 6 Transistores Bipolares de Junção TBJs Curva característica I V Chaves controladas 7 Transistores Bipolares de Junção TBJs Curva característica I V Apesar de haver três configurações possíveis coletor comum base comum e emissor comum a configuração emissor comum para um transistor NPN geralmente é utilizada em aplicações de chaveamento aplicações de potência Na operação na região de corte o transistor está desligado ou a corrente de base não é suficiente para ligálo e ambas as junções estão reversamente polarizadas Na região ativa o transistor age como um amplificador no qual a corrente de coletor é amplificada por um ganho e a tensão coletoremissor diminui com a corrente de base A junção coletorbase CB está reversamente polarizada e a junção baseemissor BE diretamente polarizada Chaves controladas 8 Transistores Bipolares de Junção TBJs Curva característica I V Na região de saturação a corrente de base é suficientemente elevada para que a tensão coletoremissor seja baixa e o transistor aja como uma chave Ambas as junções CB e BE estão diretamente polarizadas A curva característica de transferência VCE em função de IB é mostrada abaixo Chaves controladas 9 Transistores Bipolares de Junção TBJs Polarização de um transistor Para se atingir o ponto de operação na região desejada é necessário que o transistor seja polarizado A figura seguinte mostra a reta de carga DC a qual representa todos os pontos de operação possíveis juntamente com o circuito de polarização O Ponto P1 é o ponto de operação ideal para funcionamento como chave Chaves controladas 10 Transistores Bipolares de Junção TBJs Polarização de um transistor No ponto P1 a corrente de coletor IC é igual a VCCRC e a tensão entre coletor e emissor é igual a zero O ponto P4 é o ponto de operação ideal para ser usado como chave quando o transistor estiver em corte desligado Nesse caso a corrente de coletor é nula e a tensão entre coletor e emissor é igual a tensão da fonte VCC A linha traçada do ponto P1 ao P4 é a reta de carga Todos os pontos de operação entre as regiões de corte e saturação estão na região ativa Nessa região tanto a corrente do coletor como a tensão coletoremissor VCE possuem valores relativamente altos o que resulta em uma maior dissipação de potência no transistor Chaves controladas 11 Transistores Bipolares de Junção TBJs Equações características Na operação em corte podese escrever VCE VCC ICRC Na região de saturação a equação da corrente do coletor fica A corrente de base mínima nessa região para alcançar uma operação satisfatória é dada por Onde β também denominado hfe é o ganho de corrente DC dado pela relação IC IB CC CE sat CC C sat C C V V V I R R C sat CC B sat C I V I R Chaves controladas 12 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ Existem quatro fontes de perda de potência em um transistor perdas na condução ou no estado ligado perdas por fugas ou no estado desligado perdas durante a passagem para o estado ligado no seu acionamento perdas durante a passagem para o estado desligado As perdas que ocorrem durante o chaveamento são relativamente elevadas e são diretamente proporcionais à frequência com que o transistor opera Nas aplicações que empregam TBJs as perdas por chaveamento tendem ao limite correspondente à frequência máxima de chaveamento que se possa atingir Ou seja a por conta das perdas no chaveamento a frequência de operação determina as limitações da chave Chaves controladas 13 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante o estado ligado Tendo em vista a necessidade de uma corrente de base para manter o transistor de potência no estado ligado devese considerar o valor da perda de potência no circuito acionador da base A perda de potência na base é Chaves controladas 14 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante o estado ligado Se as perdas de potência na base forem pequenas quando comparadas às perdas de potência no coletor podese fazer a seguinte aproximação para as perdas no estado ligado Perdas de potência no TBJ durante o estado desligado Quando o TBJ opera no estado desligado a perda de potência é dada por ON CE sat C P V I OFF CC C CC fuga P V I V I Chaves controladas 15 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante a passagem para o estado ligado A perda de energia de um TBJ durante a ligação é dada por Onde o termo tr é o tempo de subida da corrente de coletor Se o transistor for ligado e passar periodicamente de ligado para desligado e viceversa a potência média dissipada dependerá da frequência variável f na equação abaixo nas operações de chaveamento sendo dada por max 6 CC C SW ON r V I W t T avg ON ON OFF OFF SW ON SW OFF P P t P t W W f Chaves controladas 16 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante a passagem para o estado ligado A perda de energia de um TBJ durante a ligação é dada por Onde o termo tf é o tempo de descida da tensão coletoremissor Se o transistor for ligado e passar periodicamente de ligado para desligado e viceversa a potência média dissipada dependerá da frequência variável f na equação abaixo nas operações de chaveamento sendo dada por max 6 CC C SW ON f V I W t T avg ON ON OFF OFF SW ON SW OFF P P t P t W W f Chaves controladas 17 Transistores Bipolares de Junção TBJs Exemplo 1 Utilizando a curva de carga abaixo e considerando VCC 120 V RC 20Ω determine a corrente de carga e as perdas de potência para as seguintes correntes de base Chaves controladas 18 Transistores Bipolares de Junção TBJs Destacase que nos itens a e b do exemplo 1 a corrente de base é suficiente para assegurar a operação na região saturada Nessa região a tensão nos terminais do transistor é muito pequena e a corrente de carga é muito próxima de seu valor máximo para uma dada resistência de carga Com a diminuição da corrente de base para 02A o transistor não estará mais na região saturada Haverá agora um grande aumento na tensão no transistor com um correspondente decréscimo na corrente de carga Além disso nessas condições a perda de potência no transistor durante a condução é mais elevada Chaves controladas 19 Transistores Bipolares de Junção TBJs Exemplo 2 Usando a mesma curva de carga do exemplo anterior com VCC 208 V RC 20 Ω VBEsat 11V e β 10 determine Chaves controladas 20 Transistores Bipolares de Junção TBJs Exemplo 3 Usando a mesma curva de carga do exemplo 1 mas com VCC 200 V RC 20 Ω tr 10μs e tf 15μs Se a frequência de chaveamento for de 5kHz determine Chaves controladas 21 Transistores Bipolares de Junção TBJs Algumas características nominais de um TBJ Tensão de saturação coletoremissor VCEsat Consiste na queda de tensão através dos terminais coletor e emissor quando o transistor está totalmente ligado Essa tensão é denominada de tensão de saturação e possui valores na faixa entre 1V e 2V A perda de potência nessa região de operação é função dessa tensão Ganho de corrente DC hfe É a relação entre o valor da corrente de coletor IC e o correspondente valor de corrente DC de base IB sendo denominado pela letra β ou hfe Ao contrário do que ocorre com transistores em circuitos de baixa potência para os quais valores de hfe maiores que 200 são comuns o ganho em corrente para transistores de potência costuma ficar na faixa entre 5 e 50 para correntes nominais de uso Chaves controladas 22 Transistores Bipolares de Junção TBJs Algumas características nominais de um TBJ Tensão de bloqueio direta Um transistor pode suportar uma tensão de coletoremissor máxima acima dela ocorrerá ruptura na junção do coletor Essa tensão é especificada como VCEOSUS ou VCO isto é a tensão máxima VCE com a base aberta IB 0 Área de operação segura Para garantir limites da operação segura do transistor os fabricantes especificam limites na curva IC x VCE para definir a área de operação segura Safe Operating Area SOA Uma SOA típica é mostrada na figura seguinte Chaves controladas 23 Transistores Bipolares de Junção TBJs Algumas características nominais de um TBJ Área de operação segura A SOA é importante para operação na região ativa Quando usado como chave o transistor fica um curto período nessa região que ocorre quando se processa o chaveamento Chaves controladas 24 Transistores Bipolares de Junção TBJs Conexão Darlington O ganho de corrente hfe de transistores de potência pode ter valores tão baixos como cinco Para se obter valores maiores utilizase a configuração denominada de Darlington de dois TBJs mostrada na figura abaixo Ganhos com valores maiores que cem podem ser obtidos com esse arranjo Chaves controladas 25 Transistores Bipolares de Junção TBJs Conexão Darlington Para ligar as chaves em Darlington é necessário fornecer um sinal de entrada muito pequeno na base de Q1 a fim de permitir que ele forneça uma corrente de base mais alta para Q2 A corrente de base requerida para acionar o par é muito menor do que a necessária para acionar Q2 isoladamente A configuração Darlington tem duas desvantagens A primeira é que resulta em uma queda de tensão mais alta no estado ligado podendo chegar a valores entre 2V a 5V conforme os modelos empregados de transistores A segunda é possuir uma menor velocidade de chaveamento se comparada aos transistores individuais Chaves controladas 26 Transistores Bipolares de Junção TBJs Conexão Darlington O ganho global da conexão Darlington é dado por Bibliografia 27 Básica Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo 1ª reimpressão Ed Pearson Prentice Hall 2009 Barbi I Eletrônica de Potência 4ª Ed Santa Catarina 2002 Rashid M H Eletrônica de Potência Circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1999 28 OBRIGADO Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr Eletrônica de potência Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr 2022 Conexões e perdas nos diodos 2 Diodos conectados em série Em muitas aplicações de alta tensão por exemplo linhas de transmissão de corrente contínua em alta tensão do inglês high voltage direct current HVDC um único diodo disponível comercialmente pode não suportar a tensão necessária e diodos são conectados em série para aumentar a capacidade de bloqueio reverso Consideremos dois diodos conectados em série como mostra a Figura 210a As variáveis iD e vD são a corrente e a tensão respectivamente no sentido direto VD1 e VD2 são as tensões reversas dos diodos D1 e D2 respectivamente Na prática as características vi para diodos do mesmo tipo diferem por causa das tolerâncias no processo de fabricação Conexões e perdas nos diodos 3 Diodos conectados em série A Figura 210b apresenta duas curvas características v i para tais diodos Na condição de polarização direta ambos os diodos conduzem a mesma quantidade de corrente No entanto na condição de bloqueio reverso cada diodo precisa conduzir a mesma corrente de fuga e consequentemente as tensões de bloqueio podem diferir significativamente Uma solução simples para esse problema consiste em conectar um resistor em paralelo com cada diodo fazendo a divisão de tensão ocorrer de forma equilibrada como mostra a Figura 211a Por causa da divisão igual de tensão a corrente de fuga de cada diodo é diferente como representado na Figura 211b Como a corrente de fuga total precisa ser compartilhada por um diodo e seu resistor Conexões e perdas nos diodos 4 Diodos conectados em série Conexões e perdas nos diodos 5 Diodos conectados em série Conexões e perdas nos diodos 6 Diodos conectados em série O equacionamento das correntes será então No entanto IR1 VD1R1 e IR2 VD2R2 VD1R2 A Equação abaixo fornece a relação entre R1 e R2 para a divisão igual de tensão como Se as resistências são iguais então R R1 R2 e as tensões dos dois diodos seriam ligeiramente diferentes dependendo das diferenças das duas características vi Os valores de VD1 e VD2 podem ser determinados a partir das equações abaixo Conexões e perdas nos diodos 7 Diodos conectados em série A divisão de tensão em condições transitórias por exemplo por causa do chaveamento de cargas ou da aplicação inicial da tensão de entrada é obtida pela conexão de capacitores em cada diodo como mostrado na Figura 212 Rs limita a taxa de crescimento da tensão de bloqueio Conexões e perdas nos diodos 8 Diodos conectados em paralelo Se a corrente de carga for maior que a corrente nominal de um único diodo então dois ou mais diodos podem ser ligados em paralelo com o objetivo de se conseguir uma corrente nominal direta mais alta Esses diodos porém não compartilham a mesma corrente por conta das características diferentes de polarização direta O diodo com queda de tensão direta mais baixa tenderá a conduzir uma corrente mais alta e poderá sofrer superaquecimento A figura 217 mostra as características I V de polarização direta dos dois diodos Se ambos forem ligados em paralelo a uma determinada tensão uma corrente diferente fluirá em cada um deles O fluxo total de corrente é a soma ID1 e ID2 Acorrente nominal do par não é a soma das correntes nominais máximas de cada um mas um valor que pode ser maior do que o nominal dos dois diodos isoladamente Conexões e perdas nos diodos 9 Diodos conectados em paralelo Conexões e perdas nos diodos 10 Diodos conectados em paralelo Diodos em paralelo podem ser forçados a compartilhar a mesma corrente quando um resistor muito pequeno é ligado em série com cada um deles Na figura 218 o resistor R de compartilhamento de corrente estabelece valores de ID1 e ID2 quase iguais Embora o compartilhamento de corrente seja bastante eficaz a perda de potência nos resistores é muito grande Além disso o artifício provoca um aumento na tensão nos terminais da combinação dos diodos A menos que o uso de um arranjo em paralelo se torne absolutamente necessário é melhor utilizar um dispositivo com um valor nominal adequado de corrente Conexões e perdas nos diodos 11 Diodos conectados em paralelo Conexões e perdas nos diodos 12 Diodos conectados em paralelo O valor do resistor de compartilhamento de corrente pode ser obtido como segue Conexões e perdas nos diodos 13 Perdas no diodo A perda total em um diodo é a soma das perdas no estado ligado no estado desligado e no chaveamento Conexões e perdas nos diodos 14 Principais características nominais de diodos Tensão de pico inversa O valor nominal da tensão de pico inversa peak inverse voltage é a tensão inversa máxima que pode ser ligada nos terminais do diodo sem ruptura Se for excedido a tensão de pico inversa nominal o diodo começa a conduzir na direção inversa e pode ser danificado no mesmo instante Os valores nominais dessa tensão vão de dezenas a milhares de volts dependendo do tipo de diodo Os valores nominais da tensão de pico inversa também são denominados de tensão de pico reversa peak reverse voltage ou tensão de ruptura breakdown voltage Conexões e perdas nos diodos 15 Principais características nominais de diodos Corrente direta média máxima Iavgmáx A corrente direta média máxima é a corrente máxima que um diodo pode suportar quando estiver diretamente polarizado Diodos de potência estão disponíveis com valores nominais que vão de alguns poucos ampéres à centenas Se a utilização de um diodo deve atender a critérios econômicos é preciso operálo perto de seu valor de corrente direta máxima Temperatura máxima da junção Tj Esse parâmetro define a temperatura máxima que o diodo pode suportar na junção sem apresentar defeito As temperaturas nominais de diodos de silício estão normalmente na faixa de 40C a 200C A operação em temperaturas mais baixas costuma resultar em um desempenho melhor Conexões e perdas nos diodos 16 Principais características nominais de diodos Corrente máxima de surto O valor nominal da corrente direta máxima de surto IFSM é a corrente máxima que o diodo pode suportar durante um transitório ou diante de um defeito no circuito Tempo de recuperação reverso O tempo de recuperação reverso é significativo em aplicações de chaveamento de alta velocidade Um diodo real não passa em um único instante do estado de condução para o de não condução Nesse momento uma corrente inversa flui por um breve período e o diodo não desliga até que a corrente inversa caia a zero como ilustrado na figura O intervalo durante o qual a corrente reversa flui é denominado de tempo de recuperação reverso Conexões e perdas nos diodos 17 Principais características nominais de diodos Tempo de recuperação reverso 18 OBRIGADO Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr Eletrônica de potência Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr 2022 Chaves controladas 2 Dispositivos Tiristores Tiristores são dispositivos semicondutores de potência que possuem quatro camadas de material PNPN empregados como chaves A principal vantagem que oferecem é o controle de quantidades relativamente elevadas de potência seja em sistemas AC ou DC utilizando apenas uma pequena fração de energia para esse controle Será abordado brevemente o funcionamento das chaves SCR Silicon Controlled Rectifier retificador controlado de silício bem como DIACs e TRIACs Chaves controladas 3 Dispositivos Tiristores Possuem como principais características Dispositivo unidirecional Chave biestável cortecondução Somente conduz quando polarizado diretamente e há aplicação de um pulso no terminal da porta gate Chaves controladas 4 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Silicon Controlled Rectifier Tratase de um controlador eletrônico de potência cujo uso é bastante difundido Sua estrutura básica e simbologia são apresentados abaixo Chaves controladas 5 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Chaves controladas 6 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR O dispositivo possui três terminais o ânodo simbolizado por A positivo o cátodo simbolizado por K negativo e a porta simbolizada por G a qual é o terminal de controle O ânodo e o cátodo são os terminais de potência Quando o SCR está diretamente polarizado isto é quando o ânodo é positivo em relação ao cátodo o SCr passa para o estado ligado Ele comuta para o estado desligado quando se interrompe a corrente no ânodo Da mesma forma que o diodo o SCR bloqueia corrente na direção reversa cátodo ânodo Chaves controladas 7 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Durante o estado de condução a resistência do SCR é relativamente baixa na ordem de 001 Ω a 01 Ω e durante o estado de corte a resistência reversa é relativamente alta na ordem de 100 kΩ Chaves controladas 8 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR A curva característica de um SCr está mostrada abaixo Chaves controladas 9 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 10 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Quando o SCR estiver reversamente polarizado uma pequena corrente direta flui pelo dispositivo Na curva essa região é denominada de região de bloqueio direto Se a tensão de polarização direta for aumentada de modo que a tensão no ânodo alcance um valor crítico o SCR entra em condução e sua tensão de polarização direta cai para um valor da ordem de poucos volts 1 3V A corrente aumenta de forma correspondente limitada apenas pelos componentes em série Chaves controladas 11 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR O controle de disparo do SCR dáse por meio da aplicação de um sinal na porta considerando a polarização direta ânodo cátodo A característica reversa é semelhante à do diodo comum Quando reversamente polarizado há apenas uma pequena corrente de fuga só havendo valores maiores caso a tensão de polarização reversa ultrapasse o limiar de ruptura Caso isso ocorra pode haver danos ao componente se a corrente de ruptura não for limitada Chaves controladas 12 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR O terminal da porta perde o controle após o dispositivo passar para o estado ligado Isso significa que o dispositivo permanecerá ligado mesmo que o sinal de controle seja retirado desde que a polarização direta seja mantida Haverá comutação para o estado desligado somente se a tensão de alimentação for retirada ou quando a corrente de ânodo for reduzida a um nível abaixo da corrente de sustentação Se o dispositivo for alimentado por um sistema alternado senoidal entrará naturalmente em bloqueio durante o semiciclo negativo da tensão Circuitos de disparo 13 Ativação de tiristores Ativação térmica Se a temperatura de um tiristor for elevada há um aumento no número de pares elétronslacunas o que aumenta as correntes de fuga Esse aumento na corrente faz α1 α2 aumentar Por conta da ação regenerativa α1 α2 pode tender à unidade e o tiristor pode ser ligado Esse tipo de disparo pode causar instabilidade térmica e é normalmente evitado Ativação por luz Se for permitido que a luz atinja as junções de um tiristor os pares elétronslacunas aumentam e o tiristor pode ser ligado Os tiristores ativados por luz são acionados permitindose que a luz atinja a pastilha de silício Tensão elevada Se a tensão direta anodocatodo for maior do que a tensão direta de ruptura VBO haverá um fluxo suficiente de corrente de fuga para iniciar o disparo regenerativo Esse tipo de disparo é destrutivo e deve ser evitado Circuitos de disparo 14 Ativação de tiristores Ativação por dVdt se a taxa de aumento da tensão anodocatodo for elevada a corrente de carga das junções capacitivas poderá ser suficiente para ligar o tiristor Um valor elevado da corrente de carga talvez danifique o tiristor e o dispositivo deve ser protegido contra uma alta dvdt Os fabricantes especificam a máxima dvdt permitida dos tiristores Corrente de acionamento Se um tiristor estiver diretamente polarizado a injeção de corrente de acionamento pela aplicação de tensão positiva entre os terminais da porta e do catodo o ligará À medida que a corrente do acionamento é aumentada a tensão direta de bloqueio diminui Circuitos de disparo 15 Ativação de tiristores A Figura 98 mostra a forma de onda da corrente de anodo após a aplicação do sinal de comando de porta Existe um atraso conhecido como tempo de entrada em condução turnon time ton entre a aplicação do sinal de acionamento e a condução de um tiristor ton é definido como o intervalo de tempo entre 10 da corrente de acionamento em regime permanente 01IG e 90 da corrente em estado ligado do tiristor na condição de regime permanente 09IT Ele é a soma do tempo de atraso td e do tempo de subida tr td é definido como o tempo entre 10 da corrente de acionamento 01IG e 10 da corrente em estado ligado do tiristor 01IT Já tr é o tempo necessário para a corrente de anodo subir de 10 da corrente no estado ligado 01IT para 90 da corrente no estado ligado 09IT Esses tempos são retratados na Figura 98 Circuitos de disparo 16 Ativação de tiristores Chaves controladas 17 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 18 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 19 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 20 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 21 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 22 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 23 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 24 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 25 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 26 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 27 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 28 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 29 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 30 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 31 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 32 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 33 Dispositivos Tiristores Chaves controladas 34 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Perdas de potência Durante o ciclo de chaveamento podemos enumerar as seguintes fontes de perdas em um SCR Perda de potência no estado ligado Perda de potência no estado desligado Perda de potência por chaveamento Perdas por acionamento da porta Chaves controladas 35 Dispositivos Tiristores O retificador controlado de silício SCR Perdas de potência A perda de potência durante o estado desligado pode ser desprezada sob condições normais de operação Para frequências baixas de operação menores que 400 Hz a perda por chaveamento também é pequena de forma que pode ser desprezada Portanto a principal fonte de perdas ocorre no estado ligado Essa perda pode ser calculada multiplicandose a tensão no estado ligado pela corrente no estado ligado 36 OBRIGADO Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr Eletrônica de potência Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr 2022 Introdução ao estudo de diodos 2 Os diodos de potência podem ser classificados em três categorias 1 Diodospadrão ou de uso geral 2 Diodos de recuperação rápida 3 Diodos Schottky Várias configurações de diodos de uso geral Introdução ao estudo de diodos 3 Os diodos de uso geral estão disponíveis até 6000 V 4500 A e os de recuperação rápida até 6000 V 1100 A O tempo de recuperação reversa varia entre 01 μs e 5 μs Os diodos de recuperação rápida são essenciais para o chaveamento em alta frequência dos conversores de potência Os diodos Schottky têm uma baixa tensão de condução e um tempo de recuperação muito pequeno geralmente em nanossegundos A corrente de fuga aumenta com a faixa de tensão e seus valores nominais estão limitados a 100 V 300 A Um diodo conduz quando sua tensão de anodo é maior do que a de catodo e a queda da tensão direta de um diodo de potência é muito baixa em geral de 05 a 12 V Introdução ao estudo de diodos 4 1 Diodospadrão ou de uso geral Os diodos de uso geral têm tempo de recuperação relativamente elevado normalmente de 25 μs e são utilizados em aplicações de baixa velocidade nas quais o tempo de recuperação não é crítico por exemplo retificadores e conversores para aplicações de baixa frequência de entrada de até 1 kHz e conversores comutados pela rede Eles cobrem faixas de corrente de menos de 1 A a vários milhares de ampères com faixas de tensão de 50 V até cerca de 5 kV Esses diodos são geralmente fabricados por difusão Entretanto os tipos de diodo de junção fundida que são utilizados em fontes de alimentação de máquinas de solda são mais baratos e resistentes e suas especificações podem ir até 1500 V 400 A Introdução ao estudo de diodos 5 2 Diodos de recuperação rápida Os diodos de recuperação rápida têm um tempo de recuperação baixo normalmente inferior a 5 μs Eles são usados em circuitos conversores CCCC e CCCA em que a velocidade de recuperação é muitas vezes fundamental Esses diodos cobrem faixas de tensão de 50 V até cerca de 3 kV e de menos de 1 A até centenas de ampères Introdução ao estudo de diodos 6 3 Diodos Schottky O problema do armazenamento de carga em uma junção pn pode ser eliminado ou minimizado em um diodo Schottky Isso é obtido fazendo se uma barreira de potencial com um contato entre um metal e um semicondutor Uma camada de metal é depositada em uma fina camada epitaxial de silício do tipo n A barreira de potencial simula o comportamento de uma junção pn A ação retificadora depende apenas dos portadores majoritários e em função disso não há portadores minoritários em excesso para recombinar O efeito de recuperação é decorrente exclusivamente da capacitância da junção semicondutora Introdução ao estudo de diodos 7 3 Diodos Schottky A carga recuperada de um diodo Schottky é muito menor do que a de um diodo equivalente de junção pn Pelo fato de ser decorrente apenas da capacitância da junção ela é em grande parte independente da didt reversa Um diodo Schottky tem uma queda de tensão direta relativamente baixa A corrente de fuga de um diodo Schottky é maior do que a de um diodo de junção pn Um diodo Schottky com uma tensão de condução relativamente baixa tem corrente de fuga um pouco alta e viceversa Em função disso a tensão máxima do diodo está em geral limitada a 100 V As faixas de correntes dos diodos Schottky variam de 1 a 400 A Os diodos Schottky são ideais para fontes de alimentação de alta corrente e baixa tensão Entretanto esses diodos também são utilizados em fontes de alimentação de baixa corrente para aumentar a sua eficiência Introdução ao estudo de diodos 8 3 Diodos Schottky Introdução ao estudo de diodos 9 Diodos de carbeto de silício O carbeto de silício SiC é um novo material para a eletrônica de potência Suas propriedades físicas superam as do Si e as do GaAs Por exemplo os diodos Schottky SiC fabricados pela Infineon Technologies têm perdas de potência ultrabaixas e alta confiabilidade Eles também têm as seguintes características não possuem tempo de recuperação reversa apresentam chaveamento ultrarrápido a temperatura não influi no chaveamento Introdução ao estudo de diodos 10 Diodo semicondutor de junção unijunção Introdução ao estudo de diodos 11 Símbolo do diodo de unijunção Introdução ao estudo de diodos 12 Curva característica de um diodo unijunção Análise dos modelos de diodos 13 Modelo 1 Diodo ideal Consiste em representar o diodo por uma chave fechada curtocircuito quando polarizado diretamente e por um circuito aberto quando polarizado inversamente Análise dos modelos de diodos 14 Modelo 1 Diodo ideal Exemplo VƔ 08𝑉 Análise dos modelos de diodos 15 Modelo 1 Diodo ideal Existe alguma limitação no uso desse modelo Essa forma de representar um diodo pode sempre ser usada VƔ 08𝑉 Exemplo Em vez de 100 V a bateria utilizada será de 15 V Análise dos modelos de diodos 16 Modelo 2 Diodo fonte Se a tensão aplicada no diodo for menor que VƔ ele se comportará como uma chave aberta Análise dos modelos de diodos 17 Modelo 3 Diodo fonte resistência Podese obter maior precisão levandose em conta a resistência de corpo do diodo Análise dos modelos de diodos 18 Modelo 3 Diodo fonte resistência Análise dos modelos de diodos 19 Modelo 3 Diodo fonte resistência Análise dos modelos de diodos 20 Modelo 3 Diodo fonte resistência Em diodos de potência a VƔ é em torno de 1 a 2V Análise dos modelos de diodos 21 Reta de carga Reta de carga é um recurso gráfico usado para obter os valores limites e os valores de operação do diodo Análise dos modelos de diodos 22 Ponto de Saturação esse ponto é chamado de ponto de saturação pois é o máximo valor que a corrente pode assumir UD 0 V I U R adotase diodo ideal Ponto de Corte esse ponto é chamado corte pois representa a menor corrente possível no circuito I 0 A UD U Análise dos modelos de diodos 23 Reta de carga x Curva do diodo Sobrepondo esta curva com a curva do diodo temse U R ID UD IDQ U UDR U 2 V R 100 Ohms UD 078 V IDQ Análise dos modelos de diodos 24 Diodos em circuitos CA Retificador de meia onda Análise dos modelos de diodos 25 Diodos em circuitos CA Retificador de meia onda Exemplo 1 Para o circuito abaixo determine a corrente do diodo ID a tensão do diodo VD e a tensão no resistor VR adotando diodo modelo Ideal Análise dos modelos de diodos 26 Diodos em circuitos CA Retificador de meia onda Análise dos modelos de diodos 27 Diodos em circuitos CA Retificador de meia onda Exemplo 2 Para o circuito abaixo determine a corrente do diodo ID a tensão do diodo VD e a tensão no resistor VR adotando diodo modelo Ideal Análise dos modelos de diodos 28 Diodos em circuitos CA Retificador de meia onda 29 OBRIGADO Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr