Eletrônica e Circuitos de Potência - Unidade 1

Nome do autor Título da unidade 1 KLS ELETRÔNICA E CIRCUITOS DE POTÊNCIA Eletrônica e Circuitos de Potência Rafael Oliveira Nunes Eletrônica e Circuitos de Potência 2018 por Editora e Distribuidora Educacional SA Todos os direitos reservados Nenhuma parte desta publicação poderá ser reproduzida ou transmitida de qualquer modo ou por qualquer outro meio eletrônico ou mecânico incluindo fotocópia gravação ou qualquer outro tipo de sistema de armazenamento e transmissão de informação sem prévia autorização por escrito da Editora e Distribuidora Educacional SA 2018 Editora e Distribuidora Educacional SA Avenida Paris 675 Parque Residencial João Piza CEP 86041100 Londrina PR email editoraeducacionalkrotoncombr Homepage httpwwwkrotoncombr Dados Internacionais de Catalogação na Publicação CIP Nunes Rafael Oliveira ISBN 9788552207344 1 Engenharia 2 Eletrônica I Nunes Rafael Oliveira II Título CDD 620 Nunes Londrina Editora e Distribuidora Educacional SA 2018 232 p N972e Eletrônica e circuitos de potência Rafael Oliveira Presidente Rodrigo Galindo VicePresidente Acadêmico de Graduação e de Educação Básica Mário Ghio Júnior Conselho Acadêmico Ana Lucia Jankovic Barduchi Camila Cardoso Rotella Danielly Nunes Andrade Noé Grasiele Aparecida Lourenço Isabel Cristina Chagas Barbin Lidiane Cristina Vivaldini Olo Thatiane Cristina dos Santos de Carvalho Ribeiro Revisão Técnica Marley Fagundes Tavares Tatiana Saviato Macedo Editorial Camila Cardoso Rotella Diretora Lidiane Cristina Vivaldini Olo Gerente Elmir Carvalho da Silva Coordenador Letícia Bento Pieroni Coordenadora Renata Jéssica Galdino Coordenadora Thamiris Mantovani CRB89491 Sumário Unidade 1 Seção 11 Seção 12 Seção 13 Semicondutores de potência 7 Características dos semicondutores de potência 9 Transistores de potência 23 Tiristores 38 Unidade 2 Seção 21 Seção 22 Seção 23 Circuitos de comando e retificação 57 Conversores CACC retificadores monofásicos 59 Conversores CACC retificadores trifásicos 74 Projeto de conversores CACC 90 Conversores CCCC 107 Conversores CCCC não isolados 109 Conversores CCCC isolados 130 Projeto de conversores CCCC 150 Unidade 3 Seção 31 Seção 32 Seção 33 Inversores de tensão 173 Conversores CCCA inversores de tensão monofásicos 175 Conversores CCCA inversores de tensão trifásicos 192 Projeto de conversores CCCA 209 Unidade 4 Seção 41 Seção 42 Seção 43 Eletrônica de potência é a arte ciência e tecnologia de conversão de potência de uma forma disponível para uma forma requerida É arte porque precisa de uma competência criativa para formar novas topologias de conversores É ciência porque requer conhecimento básico de matemática física e engenharia elétrica É uma questão de tecnologia porque o especialista precisa conhecer os dispositivos semicondutores de potência entendendo como estes operam e como são implementados A eletrônica de potência é a tecnologia por trás da comutação de fontes de alimentação retificação conversão e inversão de energia Ela abrange áreas de geração transmissão e utilização de energia operando com megawatts até miliwatts Essas são razões para você aprender eletrônica de potência Esse livro permite que você aluno conheça e compreenda os principais fundamentos e componentes relacionados à eletrônica e aos circuitos de potência Na primeira parte você estuda os circuitos semicondutores de potência com diodos transistores e tiristores que servem de base para a continuação do material Na Unidade 2 são abordados os projetos de conversores CACC retificadores que transformam sinal CA em CC com ajuste de tensão e corrente Na parte 3 são estudados os conversores CCCC que podem ser controlados ou não controlados A última unidade aborda os conversores CCCA inversores que produzem CA de magnitude e frequência controlável Geralmente as tensões na carga e na fonte não são as mesmas Por isso precisamos de conversores para converter de um nível para outro Às vezes precisamos de CC mas a fonte é CA e viceversa Assim para converter de uma forma para outra também precisamos de eletrônica de potência Ultimamente usamos a eletrônica de potência para ter controle eficiente sobre uma máquina ou um sistema elétrico Ao longo dos anos a tecnologia da eletrônica de potência está se esforçando para a substituição do sistema de conversão de energia eletromagnética por suas contrapartes semicondutoras Não só traz a miniaturização mas também proporciona um melhor desempenho É por isso que o tema está sendo estudado há mais de 40 anos Cabe a você aluno se dedicar ao aprendizado da eletrônica de potência e obter o conhecimento necessário para usálo em um número grande de aplicações Palavras do autor Unidade 1 Semicondutores de potência Convite ao estudo Diferentes tipos de fontes de alimentação são utilizados em todos os lugares nas rotinas diárias normais tanto no lar no escritório quanto no ambiente industrial Isto é devido ao progresso no desenvolvimento dos componentes eletrônicos e equipamentos nas últimas décadas Aparelhos eletrônicos e elétricos estão em toda parte e todos esses dispositivos precisam de energia elétrica para funcionar Por exemplo em uma sala de escritório normal há inúmeros conversores de energia em diferentes equipamentos eletrônicos carregadores de bateria iluminação impressoras equipamentos eletrônicos são apenas alguns exemplos Mesmo em um computador pessoal existem várias fontes de energia A maioria delas possui integrado aos seus circuitos conversores de energia A razão por trás da popularidade dos modernos conversores de energia é devido à eficiência tamanho capacidade de operar em diferentes níveis de corrente e tensão características de controle e preço As vantagens desses dispositivos advêm do desenvolvimento da tecnologia dos dispositivos semicondutores nos últimos anos Nesse contexto estudaremos os circuitos semicondutores de potência Esse estudo permite que você conheça e compreenda os principais fundamentos e componentes relacionados à eletrônica e aos circuitos de potência Os componentes básicos são diodo transistor e tiristor elementos que são organizados em estruturas maiores como em conversores e inversores Portanto essa unidade é essencial para o aprendizado de todo o curso Para pôr em prática todo este conhecimento você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Você deverá ser capaz de usar o conhecimento da eletrônica de potência para resolver os desafios que serão apresentadas ao longo das seções Nesses desafios você apresentará soluções para problemas práticos da eletrônica de potência propondo e avaliando circuitos com transistores tiristores retificadores inversores entre outros Diante desses desafios como você aplicará o conhecimento teórico aprendido ao longo da disciplina em projetos práticos de eletrônica de potência Como a teoria permitirá a você encontrar uma solução simples barata e robusta Essas são algumas questões que um técnico faz quando inicia um novo projeto Aluno nessa unidade você terá uma seção de motivação para o estudo da eletrônica de potência Estudará brevemente os principais componentes empregados em eletrônica de potência e as características de controle dos dispositivos de potência diodo transistor e tiristor Por último serão estudados os tipos de circuitos de eletrônica de potência Desejo a você bons estudos e que esteja bem animado em conhecer a eletrônica de potência U1 Semicondutores de potência 9 Diálogo aberto Características dos semicondutores de potência Nas últimas décadas a tecnologia de semicondutores de potência progrediu de forma impressionante Vários dispositivos foram desenvolvidos e aprimorados com a função de controlar com eficiência a transferência de energia em sistemas eletrônicos Nessa seção você estudará alguns dos dispositivos semicondutores potência que operam como interruptores ou chaves eletrônicas Dois desses componentes mais utilizados são diodo e transistor Esses dispositivos atuam como válvulas que empurram os elétrons para fluir em uma direção Os tubos de vácuo usados antigamente foram substituídos em sua maioria por diodos e transistores semicondutores Outros componentes eletrônicos como o tiristor são aplicados para uma faixa de frequência de operação específica O entendimento sólido da operação dos dispositivos semicondutores é essencial para entender como esses são aplicados em circuitos mais complexos como retificadores e inversores Retornando o nosso contexto você é o responsável técnico contratado para compor uma equipe de projetos de circuito eletrônico de potência Atualmente a equipe está trabalhando em um projeto de célula solar Sua primeira missão é descrever a operação dos dispositivos semicondutores de potência e identificar a operação deles em uma planta de célula solar informando os possíveis gargalos Para auxiliar você nessa tarefa vamos discutir nesta seção a importância da eletrônica de potência e conhecer brevemente os dispositivos semicondutores e circuitos de potência mais comuns Obter uma compreensão sólida do funcionamento dos dispositivos semicondutores tornará mais fácil e prazerosa a continuação do curso e assim fará com que a disciplina se torne mais simples Assim convido você aluno a se dedicar mais ao início do curso estudando prontamente os conteúdos da parte Espero que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Seção 11 U1 Semicondutores de potência 10 Não pode faltar Quando você estudou eletrônica analógica ou digital você percebeu que a maioria dos dispositivos eletrônicos funciona com faixas de corrente na ordem de miliampère ou microampère No entanto em muitas aplicações uma corrente nessa ordem de magnitude pode não ser útil Digamos por exemplo que ao construir um altofalante você usa uma corrente na ordem de miliampère que resulta em um nível de potência baixo Este nível de potência baixo pode resultar em um som inaudível e não se tornar tão útil Por outro lado se você aumentar a potência entregue ao circuito seus componentes podem queimar Portanto você deve considerar em seu circuito dispositivos especiais para lidar com a alta potência Saiba que a análise de dispositivos de alta potência varia da análise dos dispositivos de baixa potência Por exemplo uma perda de 1 no transistor comum pode ser ignorada mas num transistor de potência 1 pode ser uma perda significativa e você deve reduzila Caso contrário seu circuito terá problemas devido ao aquecimento e a expectativa de vida dos dispositivos será reduzida Portanto é essencial que você estude a eletrônica de potência A eletrônica de potência é um campo atual de engenharia elétrica sob evolução constante e que impacta a vida humana em quase todas as esferas Diariamente usamos aplicações de eletrônica de potência sem sequer perceber A questão é o que é eletrônica de potência A eletrônica de potência é definida como a aplicação da eletrônica de estado sólido para controlar a conversão da potência elétrica Ela é um híbrido de eletrônica analógica dispositivos semicondutores sistemas de potência e sistemas de controle Derivamos os fundamentos de cada disciplina e aplicamos para obter uma forma regulamentada de energia elétrica Isso porque a energia elétrica em si não é utilizável até que seja convertida em uma forma tangível de energia como movimento luz som calor etc Para regular essas formas de energia uma maneira efetiva é regular a própria energia elétrica e isso constitui o conteúdo da eletrônica de potência Para tal finalidade são usados dispositivos de potência de estado sólido Os dispositivos de estado sólido são feitos a partir de um material sólido que confina um fluxo de cargas O termo estado sólido é usado U1 Semicondutores de potência 11 para diferenciar das tecnologias anteriores como a de tubo à vácuo e também excluir os dispositivos eletromecânicos convencionais relés interruptores e outros dispositivos com peças móveis Reflita Criados em 1904 por John Fleming os tubos a vácuo dominaram o mercado de componentes eletrônico na primeira metade do século passado Estavam presentes em diversos aparelhos eletrônicos tais como televisões e rádios Com o surgimento da indústria de semicondutores estes foram substituídos por componentes mais compactos baratos e que sofriam menos desgaste com a temperatura Um exemplo são os conversores de energia tal como o presente no carregador de celular que são portáteis e compactos Seria possível termos os mesmos aparelhos eletrônicos atuais se ainda estivéssemos usando válvulas O quanto a indústria de semicondutores impactou e continua impactando o dia a dia das pessoas O transistor da Bell Labs foi o primeiro dispositivo de estado sólido a entrar em uso comercial na década de 1960 Muitos outros dispositivos foram criados desde então Alguns dos dispositivos semicondutores de potência mais utilizados são a Diodos de potência b Transistor de efeito de campo metalóxidosemicondutor MOSFET c Transistor de junção bipolar TBJ d Transistor bipolar de porta isolada IGBT e Tiristor SCR GTO MCT Após o SCR surgiu um grande número de dispositivos eletrônicos de potência como SIT TRIAC DIAC IEGT IGCT U1 Semicondutores de potência 12 Fonte adaptado de Bordry 2012a p 22 Fonte elaborada pelo autor Figura 11 Faixa de operação dos transistores tensão x corrente x frequência Figura 12 Interruptor representativo dos dispositivos semicondutores A escolha do dispositivo de potência depende dos requisitos do projeto Os técnicos em eletrônica avaliam primeiro as especificações do projeto e então selecionam os dispositivos adequados a essa aplicação A Figura 11 mostra a relação entre corrente frequência e tensão para dispositivos de eletrônica de potência Note que o MOSFET opera em faixas de tensão e corrente na ordem de 1kV e 025 kA atingindo frequências tão altas quanto 1MHZ Por outro lado tiristores comuns suportam faixas de corrente e tensão maiores como 35 kA e 5 kV mas operam em frequências menores Na eletrônica de potência os dispositivos funcionam como interruptores estando desligados ou ligados como mostrado na Figura 12 Por exemplo um diodo está ligado quando polarizado diretamente e desligado quando sua polarização é reversa Os dispositivos eletrônicos de potência por si só não são úteis em aplicações práticas e portanto são projetados junto com outros componentes de suporte Esses componentes de suporte controlam U1 Semicondutores de potência 13 Fonte adaptado de Eletrical4U 2012a Figura 13 Circuito de eletrônica de potência básico os interruptores de potência para obter a saída desejada Isso inclui o circuito de disparo e o circuito de feedback A Figura 13 mostra o diagrama que descreve um sistema eletrônico de potência simples A unidade de controle compara o sinal de feedback de saída dos sensores com sinais de referências e assim gera um sinal de entrada no circuito de disparo O circuito de disparo é basicamente um circuito de geração de pulsos criados para controlar os interruptores eletrônicos de potência no bloco de circuito principal Como resultado a carga recebe a energia elétrica desejada Um exemplo típico do sistema acima seria o controle de velocidade de motores Assimile Observamos na Figura 13 que o circuito de disparo fornece pulsos ao circuito elétrico de potência A complexidade desse circuito é em função do circuito elétrico de potência controlado O MOSFET e o IGBT são acionados por nível de tensão o que torna o circuito mais simples Por outro lado os tiristores necessitam de circuitos de disparo mais complexos Os dispositivos de potência são usados na montagem de cada um desses blocos Os diodos por exemplo podem ser usados no circuito de disparo A Figura 14 mostra o símbolo do diodo e suas características voltampère Na condição direta o diodo é representado por uma queda de tensão e uma resistência equivalente à inclinação positiva da curva nas características de VI A típica queda de tensão em condução direta é em torno de 10 V Esta queda causará perda de condução Fonte de tensão de entrada Circuito elétrico de potência Carga Circuito de disparo Unidade de controle Referências Sensores para feedback U1 Semicondutores de potência 14 Exemplificando e o dispositivo deve ser resfriado pelo dissipador de calor apropriado para limitar a temperatura de junção Na polarização inversa uma pequena corrente de fuga leakage current flui devido a portadores minoritários que aumentam gradualmente com a tensão Se a tensão inversa exceder um valor limiar o dispositivo sofre o efeito avalanche que é quando a corrente inversa se torna grande suficiente a ponto de o diodo se destruir pelo aquecimento devido à grande dissipação de energia na junção Os diodos de potência podem ser classificados da seguinte forma diodo de recuperação lenta diodo padrão diodo de recuperação rápida e diodo Schottky Fonte adaptado de Hart 2012a Figura 14 Símbolo do diodo e sua curva característica tensãocorrente A temperatura é um fator determinante na performance dos dispositivos de potência Além da curva característica mostrada na Figura 14 o impacto da temperatura na performance dos dispositivos precisa ser considerado ao analisar um diodo de potência Um exemplo está nas curvas da Figura 15 que mostram como a corrente reversa aumenta com o aumento da temperatura Para uma variação de temperatura de 25C para 100C e uma tensão reversa VR de 75 V a corrente reversa do diodo varia duas ordens de grandeza Efeito avalanche U1 Semicondutores de potência 15 Já na Figura 16 observe que a temperatura também influencia no valor da corrente direta Observe que sob a mesma variação de temperatura a corrente direta máxima do diodo varia 50 caindo de 1 A para 05 A Logo a temperatura afeta tanto a corrente direta quanto a corrente reversa do diodo O impacto da temperatura pode ser reduzido com o uso de dissipadores de potência Fonte MBRF20100CCTG 2013 p 2 Fonte adaptada de Farnell 2015a p 2 Figura 15 Curva de um diodo comercial da variação da corrente reversa IR com a tensão reversa VR para várias temperaturas Figura 16 Curva de um diodo comercial da variação da corrente direta ID com a temperatura U1 Semicondutores de potência 16 Outro dispositivo presente nos sistemas de potência são os transistores Estes estão presentes nos retificadores e inversores ou em circuitos de proteção O transistor de junção bipolar TBJ é um dispositivo autocontrolado de duas junções onde a corrente do coletor está sob o controle da corrente de base Suas desvantagens são possuir alta corrente de fuga alta queda de tensão na condução e frequência de comutação reduzida O MOSFET de potência é outro dispositivo que desempenha a função de chaveamento nos sistemas de potência Enquanto a perda de condução de um MOSFET é grande para dispositivos de alta tensão seus tempos de comutação e desligamento são extremamente pequenos causando baixa perda de comutação Eles são extremamente populares em aplicações de comutação de baixa tensão baixa potência e alta frequência centenas de kHz Os exemplos de aplicação incluem fontes de alimentação chaveadas acionamento de motor de passo e relés de estado sólido Outro dispositivo muito comum na eletrônica de potência são os tiristores Estes eram os dispositivos tradicionais para conversão e controle de energia na indústria A era moderna da eletrônica de potência de estado sólido começou devido à introdução deste dispositivo no final da década de 1950 Atualmente os tiristores estão disponíveis com valores elevados de tensão vários KV e corrente vários KA Muitas vezes o tiristor recebe um nome de família que inclui SCR TRIAC GTO MCT e IGCT Cada dispositivo descrito até aqui é aplicado em conversores de potência Esses possuem diferentes finalidades e podem ser classificados como a conversores CC CC são usados na maioria dos dispositivos móveis celulares notebooks etc para manter a tensão em um valor fixo seja qual for o nível de tensão da bateria Esses conversores também são usados para isolamento eletrônico e correção do fator de potência b conversores CA CC retificadores são utilizados sempre que um dispositivo eletrônico está conectado à rede elétrica Estes podem simplesmente mudar CA para CC ou também podem alterar o nível de tensão como parte de sua operação U1 Semicondutores de potência 17 c conversores CA CA são usados para alterar o nível de tensão ou a frequência Nas redes de distribuição de energia os conversores CA CA podem ser usados para trocar energia entre as redes elétricas com diferentes frequências de 50 Hz e 60 Hz d conversores CC CA inversores são usados principalmente em sistemas de backup de energia Quando a energia da rede estiver disponível ele irá carregar a bateria CC Se a rede falhar um inversor será usado para produzir eletricidade CA na tensão da rede da bateria CC Observe que os quatro dispositivos acima são chamados de conversores pois basicamente convertem energia elétrica de uma forma para outra Podemos encontrar uma grande variedade de aplicações da eletrônica de potência como um regulador de ventilador um atenuador de luz ar condicionado luzes de emergência e computadores pessoais A facilidade de fabricação levou à disponibilidade desses dispositivos em uma vasta gama de aplicações e algumas delas são mostradas na Figura 17 Fonte adaptada de Eletrical4u 2012a Figura 17 Aplicações dos dispositivos de eletrônica de potência smart grids U1 Semicondutores de potência 18 Sem medo de errar Pesquise mais A vantagem dos dispositivos eletrônicos está na sua produção em massa e por serem confiáveis eficientes compactos e rápidos Como desvantagens os sistemas de eletrônicos de potência injetam harmônicos tanto na fonte de energia quanto na carga criando problemas nos dois lados Outro problema é o fato de operarem com baixo fator de potência sendo necessários equipamentos para compensar a potência reativa No entanto as vantagens apresentadas pela eletrônica de potência se sobressaem o que explica a crescente popularidade e o aumento exponencial de aplicações Para se familiarizar com a história da eletrônica de potência e entender a ordem em que os dispositivos foram criados acesse a apostila disponível em httpwwwdscefeeunicampbrantenorpdffileshistpdf Acesso em 3 set 2017 Retornando ao nosso contexto você é o supervisor técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um sistema de energia solar Como atividade inicial o líder do projeto pediu ao supervisor técnico que estudasse a planta do projeto e identificasse os principais blocos do sistema de potência informando os possíveis gargalos Como primeiro passo você deve analisar os circuitos de eletrônica de potência em um sistema de energia solar Nessa análise é possível identificar os elementos básicos tais como o diodo o transistor e o tiristor que compõem estruturas mais complexas dos conversores Coube a você descrever a função dos blocos informando como estes seriam estruturados Logo você deve listar os dispositivos de potência informando os parâmetros principais de cada um Primeiramente é necessário entender a operação do sistema considerado Nesse exemplo temos o caso de um sistema de energia solar com finalidade residencial ilustrado na Figura 18 Observe que U1 Semicondutores de potência 19 existe primeiro uma conversão de energia solar em elétrica CC e depois uma conversão da energia CC em CA Essa conversão é feita por circuitos de eletrônica de potência Fonte adaptada de Skysolar 2017a Fonte Mahela e Shaik 2016a Figura 18 Sistema de geração fotovoltaico residencial Figura 19 Diagrama de um sistema fotovoltaico A Figura 19 ilustra um diagrama de um sistema fotovoltaico Neste existem além de conversores o controlador que recebe níveis de tensão da rede e controla o chaveamento dos conversores CCCC e CCCA inversor Esse diagrama representa uma solução simples para um sistema de energia solar que pode conter outros dispositivos Note que cada um desses blocos pode ser implementado por diferentes chaves de eletrônica de potência Escolher a chave mais adequada é seu papel como técnico Para tal escolha é necessário estudar os Sensor de tensão e corrente Sensor de tensão e corrente Sensor de tensão U1 Semicondutores de potência 20 Avançando na prática elementos básicos de um sistema de energia solar Nesse estudo os seguintes pontos devem ser considerados para o diodo A tensão reversa deve ser pelo menos duas vezes maior que o necessário Isso permite uma maior proteção contra transientes Você pode descobrir a corrente de pico e escolher um diodo que tenha uma corrente direta do pico pelo menos duas vezes a do esperado Você deve conhecer a queda direta dos diodos no datasheet e então com a corrente direta esperada com o ciclo de serviço deve prever a quantidade de potência a ser dissipada Escolher um diodo que com um dissipador de calor apropriado não exceda a temperatura de junção máxima mesmo em altas temperaturas E para o transistor e o tiristor Quais seriam os parâmetros mais importantes a serem considerados Perceba que as características esperadas do diodo tais como a queda de tensão a faixa de temperatura de uso a máxima corrente e a tensão suportável são parâmetros a serem considerados em todos os dispositivos Assim como responsável técnico você deve avaliar a influência de cada componente no resultado esperado Ao analisar cada componente você pode concluir que o quão importante é a análise prévia dos parâmetros relacionados ao sistema de interesse Aplicação do diodo de potência em um circuito multiplicador de tensão Descrição da situaçãoproblema Em uma subestação de energia elétrica foi instalado um motor Desejase alimentar o motor com a tensão de saída de um transformador O motor opera com tensão de alimentação acima da tensão fornecida pelo transformador O transformador fornece 250 V e a faixa de entrada da carga é de 2200 V Dessa forma a tensão deve ser multiplicada por 8 Como responsável técnico você terá que desenvolver um circuito para ajustar a tensão de saída do U1 Semicondutores de potência 21 Faça valer a pena transformador com a faixa de entrada do motor Qual solução você pode implementar usando os elementos da eletrônica de potência estudados nessa seção tais como diodos e capacitores Resolução da situaçãoproblema Como componente semicondutor mais simples o diodo possui uma grande variedade de aplicações em sistemas eletrônicos modernos As áreas de aplicação incluem ceifadores ou limitadores de tensão retificadores inversores circuitos de controle de ganho etc Fonte elaborada pelo autor Figura 110 Circuito multiplicador de tensão com diodos Uma dessas aplicações é o circuito multiplicador que permite a multiplicação de sinais CA usando conjunto de diodos encadeados Observamos na Figura 110 que a entrada é multiplicada de modo que se obtém a tensão de 2118 V em sua saída Note que o circuito multiplicador é simples e muito útil quando se deseja aumentar a amplitude de um sinal Assim com esse circuito é possível fornecer a faixa de tensão CA em uma faixa adequada com a faixa de entrada da carga 1 Os diodos bypass são usados para proteção de painéis solares Se o painel solar estiver danificado ou sombreado por folhas ou outras obstruções a potência de saída geral diminui e provoca danos Os danos ocorrem devido a corrente do resto das células fruir através das células defeituosa ou sombreada causando um superaquecimento U1 Semicondutores de potência 22 Qual a principal função do diodo de bypass no sistema de células solares a Proteger as células solares contra o problema de superaquecimento b Multiplicar a tensão de entrada amplificando o sinal CA c Retificar a tensão de entrada reduzindo o nível de tensão RMS d Inverter a tensão CC para CA e Limitar a tensão de operação da célula solar 2 Os dispositivos de eletrônica potência são projetados para cada vez mais operarem com mais eficiência Ou seja esses dispositivos devem operar com perdas reduzidas de chaveamento entregando o nível adequado de tensão à carga Quais são os parâmetros envolvidos nas perdas devido ao chaveamento do diodo a Perda de tensão e perda de potência b Perdas devido à corrente de fuga e perdas na condução direta c Perda de eficiência e perda ganho d Perda de alimentação e perda de dissipação de calor e Perda de frequência e perda de eficiência 3 Os transistores TBJ e MOSFET são úteis para aplicações de amplificação e chaveamento de tensão No entanto eles possuem características diferentes além de operarem em faixas de frequência e potência diferentes Entre as opções abaixo qual indica a diferença entre os transistores MOSFET e TBJ a TBJ é um transistor de junção bipolar enquanto o MOSFET é um transistor de efeito de campo semicondutor de dióxido de silício b TBJ tem um emissor coletor e base enquanto um MOSFET tem um catodo e um anodo c MOSFET substitui o TBJ em aplicações que requerem maior frequência de chaveamento d Nos circuitos integrados digital e analógico atuais o TBJ é mais popular que o MOSFET e O funcionamento do MOSFET depende da tensão no eletrodo de porta isolado de óxido enquanto a operação do TBJ depende da corrente de dreno U1 Semicondutores de potência 23 Diálogo aberto Seção 12 Transistores de potência Na seção anterior você conheceu a variedade de dispositivos na eletrônica de potência Você compreendeu a importância de possuir o domínio total de suas características que estão na descrição do datasheet Nesta seção você estudará os três principais tipos de transistores de potência TBJ MOSFET e IGBT Mesmo que você tenha aprendido sobre o TBJ e o MOSFET anteriormente em seu curso de eletrônica os transistores de potência suportam correntes e tensões em níveis elevados possuindo assim diferenças estruturais O IGBT é um dispositivo mais novo desenvolvido na década de 1980 Este é formado por um TBJ e um MOSFET de modo que a entrada opera como um MOSFET e a saída possui o comportamento do TBJ É interessante saber que estes dispositivos podem ser classificados pela sua velocidade de chaveamento ou pelo consumo de potência Logo enquanto um TBJ pode ser mais adequado para o chaveamento de um circuito em baixa frequência o MOSFET é mais adequado para circuitos com comutação rápida Retornando ao contexto o responsável técnico que conhecemos na seção anterior está alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Agora ele terá o desafio de desenvolver um sistema de proteção à bateria do sistema solar A corrente que sai do painel solar é proporcional aos raios que incidem neste Naturalmente picos de corrente são gerados e possuem o potencial de danificar partes importante do sistema de geração de energia solar tal como a bateria Para auxiliar você nessa tarefa vamos discutir as características dos transistores de potência TBJ MOSFET e IGBT bem como as suas aplicações Essa seção contempla o essencial dos transistores e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Espero que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho U1 Semicondutores de potência 24 Não pode faltar A origem do termo transistor é controversa A versão mais aceita é que tenha sido uma sugestão de John Pierce um pesquisador do conceituado Laboratório Bell combinando as palavras transcondutância ou transferência e varistor resistor cuja resistência varia com a tensão segundo Getner 2012 Para trabalhar com a eletrônica de potência é essencial entender o funcionamento dos transistores no controle e conversão da energia elétrica Você deve ser capaz de operar esses dispositivos e também de os avaliar quanto ao custo a frequência de chaveamento o valor máximo de corrente e tensão de operação O 2N176 foi o primeiro transistor de potência a ser produzido em larga escala Ele é um transistor de junção bipolar TBJ formado por materiais semicondutores de tipo N e P constituindo um transistor PNP WARD 2007 Fonte adaptada de Radio Eletronics 2016a Figura 111 Visão transversal da estrutura do TBJ A Figura 111 mostra a estrutura física de um TBJ NPN atual A sua organização está relacionada com a do diodo de junção sendo formada por duas junções PN uma BC entre o terminal da base B e coletor C e uma junção BE entre base B e emissor E Veja na Figura 112 a representação do TBJ NPN e PNP e os diodos de junção equivalentes Perceba que cada TBJ equivale a um par de diodos Embora o PNP tenha sido muito usado nas décadas passadas a maioria das aplicações atuais usam o tipo NPN dado a sua maior velocidade de chaveamento U1 Semicondutores de potência 25 Fonte adaptada de Nutsvolts 2015a Figura 112 Símbolos do TBJ a NPN e b PNP Em condições normais a junção BE é polarizada diretamente fluindo elétrons do terminal E para o B Elétrons também fluem da base para o coletor com a junção CB polarizada inversamente Lembrese que o sentido convencional da corrente é contrário ao do fluxo de elétrons A corrente do emissor iE está exponencialmente relacionada à tensão baseemissor VBE pela equação i i e E E V V BE T 0 1 h 11 onde iE0 é a corrente de saturação da junção baseemissor que é função dos níveis de dopantes temperatura e área da união base emissor VT é a tensão térmica dado por KT q e η é o coeficiente de emissão A corrente do coletor iC é a fração α da corrente total que cruza a junção baseemissor i i C a E 12 Uma vez que o transistor é um dispositivo de três terminais iE é igual a iC iB portanto a corrente de base iB pode ser expressa como a fração restante i i B E 1 a 13 As correntes do coletor e da base estão relacionadas por i i C B α α β 1 14 Os valores de α e β indicam o ganho de corrente e dependem principalmente das densidades do dopante nas regiões da base do coletor e do emissor bem como na geometria do dispositivo A temperatura também afeta ambos os parâmetros U1 Semicondutores de potência 26 As equações 11 14 são usadas no projeto de circuitos eletrônicos relacionando as variáveis da entrada do TBJ formada pela base B pelo emissor E e coletor C O transistor TBJ opera em quatro regiões mostradas na Figura 113 a Região de corte ambas junções BE e CB estão inversamente polarizadas b Região ativa junção BE é diretamente polarizada e CB inversamente polarizada c Região de quasesaturação Ambas diretamente polarizadas d Região de saturação profunda dura Ambas diretamente polarizadas Fonte adaptada de Nurthy 2013a Figura 113 Regiões de operação do TBJ de potência num gráfico VCE x IC Em aplicações de controle o TBJ de potência geralmente é usado no ponto de corte para o estado desligado e na quasesaturação zona em que o transistor atua como um interruptor Essa mudança é muito rápida o que resulta em baixa queda de tensão que é uma característica desejada para os componentes eletrônicos de potência Desse modo o TBJ possui uma grande tensão de bloqueio no estado desligado e uma capacidade de alta corrente no estado ligado Cada transistor de potência possui limites operacionais representados por meio de diagramas No caso do TBJ estes diagramas informam a região de operação segura de polarização direta e polarização inversa aplicável às condições iB 0 e iB 0 respectivamente U1 Semicondutores de potência 27 Fonte adaptada de Power Mosfet Wow 2017a Figura 114 MOSFET de potência a estrutura b símbolo Assimile A região de quase saturação é uma nova região do TBJ de potência devido a uma camada de deriva ligeiramente dopada N conforme mostrado na Figura 111 Se o TBJ funcionar em alta frequência de chaveamento eles operam nesta região Assim isso proporciona uma resistência inferior à da região ativa Uma vez que não entra em saturação profunda podemos ativar e desativar o TBJ de potência muito rapidamente Esse recurso não é encontrado no TBJ comum Até a década de 1970 o TBJ era o único dispositivo eletrônico de estado sólido capaz de operar como uma chave de potência Nessa época o TBJ apresentava sérias limitações devido à sua baixa velocidade alta corrente requerida na base e o impacto da temperatura Isso motivou o desenvolvimento de novas tecnologias como o MOSFET que era a solução às limitações do TBJ ao apresentar chaveamento rápido alta impedância de entrada e estabilidade térmica O MOSFET de potência transistor de efeito de campo metalóxido semicondutor é um dispositivo de estado sólido controlado por tensão usado em aplicações de alta potência e comutação rápida Ele pode operar com frequência de chaveamento superior a 1 MHz e suporta valores de tensão e corrente tão altos quanto 1000 V e 200 A Ao contrário do TBJ o MOSFET é um dispositivo unipolar uma vez que usa somente portadores majoritários elétrons na condução U1 Semicondutores de potência 28 A construção do MOSFET de potência é semelhante à do MOSFET tipo enriquecimento normal Como você pode ver na Figura 114 a o MOSFET de potência é uma estrutura orientada verticalmente com camadas P e N alternadas com uma camada ligeiramente dopada N A camada N permite que ele opere com valores maiores de corrente e tensão de bloqueio O MOSFET de potência possui três terminais acessíveis ao usuário o dreno a porta e a fonte mostrados na Figura 114 b Um quarto terminal chamado de substrato está em curto com o terminal de fonte Para ativar o MOSFET primeiro precisamos fornecer uma tensão entre o dreno e a fonte de modo que o dreno seja positivo em relação a ela Mas isso não é suficiente para colocálo em estado de condução pois precisamos fornecer uma polarização entre porta e fonte As curvas características na Fig 115 mostram que existem três regiões distintas de operação rotuladas como região linear região de saturação e região de corte Quando usado como um dispositivo de chaveamento apenas as regiões linear e de corte são consideradas ao passo que quando usado como amplificador o MOSFET opera na saturação Fonte adaptada de EletronicsTutorials 2016a Figura 115 Curva característica VDS x ID para o MOSFET de potência Para que haja fluxo de corrente de dreno ID no MOSFET um canal entre o dreno e a fonte deve ser criado Isso ocorre quando a tensão portafonte VGS excede a tensão limiar do dispositivo VTH Assim o dispositivo está em corte e não conduz corrente quando v V GS TH 15 U1 Semicondutores de potência 29 Reflita Quando VGS VTH o canal do MOSFET é formado e o dispositivo pode estar na zona linear que também é chamada de zona de triodo ou região de resistência constante ou na região de saturação dependendo do valor de VDS Assim temse que a Região de operação triodo V V V DS GS TH e V V GS TH 16 b Região de saturação V V V DS GS TH e V V GS TH 17 Em ambas as regiões de operação a corrente na porta é quase zero É por isso que o MOSFET é conhecido como um dispositivo de controle de tensão e portanto requer um circuito de controle da tensão na porta NOTA Ao contrário do dispositivo bipolar que é controlado por corrente ou seja a corrente de base controla o fluxo de corrente no coletor o MOSFET de potência é controlado por tensão e requer uma tensão no terminal de entrada porta Assim o MOSFET consome menos potência do que o TBJ Além disso uma vez que apenas os portadores de carga majoritários contribuem para o fluxo de corrente os MOSFET superam todos os outros dispositivos em velocidade de comutação com velocidade de chaveamento superior a alguns megahertz Comparando com o MOSFET o TBJ suporta operações com maior potência e menor velocidade de comutação Outra diferença é que os parâmetros do TBJ são mais sensíveis à temperatura Conforme mencionado anteriormente dependendo das aplicações a faixa de potência processada pelo transistor é muito ampla da ordem de miliwatts a centenas de megawatts Portanto é muito difícil encontrar um único tipo de dispositivo de comutação para cobrir todas as aplicações de eletrônica de potência Ainda que em uma aplicação específica seja usado costumeiramente o transistor TBJ será que a sua substituição por um MOSFET traria alguma perda Será que traria vantagens Como você poderia selecionar de forma mais criteriosa o transistor para uma aplicação específica Você poderia combinar os dois tipos de transistores obtendo os benefícios de cada um deles U1 Semicondutores de potência 30 O IGBT transistor bipolar de porta isolada é uma estrutura híbrida de MOSFET e TBJ de potência Ele possui características de ambos dispositivos compensando as limitações do MOSFET e TBJ de forma eficiente Desenvolvido na década de 1980 continua a ser melhorado em termos de tensão de operação e frequência de chaveamento Fonte adaptada de EETIMES 2007a Figura 116 IGBT a estrutura física b símbolo e c circuito eqivalente Como você pode ver na Figura 116 a o IGBT é uma estrutura orientada verticalmente idêntica ao MOSFET de potência exceto por ter uma camada P no terminal do coletor em vez de camada N e uma camada extra N buffer acima da camada P A inclusão da camada N depende da aplicação sendo que no MOSFET de potência esta reduz a perda de potência Já a camada N desvio aumenta a capacidade de tensão de avaria do dispositivo A Figura 116 b mostra a maneira convencional de simbolizar o IGBT Ele possui três terminais coletor C porta G e emissor E Já a Figura 116 c demonstra a equivalência do IGBT com o MOSFET e o TBJ Observe que o IGBT diferencia do TBJ dado que um terminal de porta G substitui o terminal da base enquanto os contatos do coletor C e do emissor E permanecem os mesmos A entrada para o terminal da base do TBJ é um terminal do MOSFET Assim quando aplicamos uma tensão positiva no emissor E um canal induzido é formado na porta do MOSFET iniciando assim a condução Agora a condução é semelhante à de um MOSFET de potência Assim o IGBT atua como um dispositivo controlado por tensão no terminal da porta G e as suas características de entrada são parecidas com as U1 Semicondutores de potência 31 características de entrada do MOSFET Por sua vez as características de saída são semelhantes às de um TBJ de potência Para iniciar a condução do IGBT temos que aplicar tensão positiva entre o coletor e o emissor Os elétrons começam a fluir do emissor para o coletor passando através do canal induzido O IGBT efetivamente melhora a condutividade do MOSFET ao reduzir a resistência na condução e a dissipação de potência Assim o IGBT compensa a alta dissipação de potência do MOSFET além de aumentar a velocidade de comutação do TBJ de potência Exemplificando A Figura 117 mostra de forma simplificada um circuito de chaveamento de um motor O transistor de potência tem em seu terminal de entrada uma fonte de tensão de 1000 V e o circuito de controle fornece uma frequência de chaveamento de 2 MHz A saída do transistor de potência alimenta um motor A questão aqui é saber qual transistor de potência podemos usar para operar nessas condições Pela tensão de operação de 1000 V os três transistores estudados aqui atendem essa faixa Pela frequência de chaveamento 2 MHz representa um tempo de chaveamento na ordem de 500 ns Para esse requisito é mais aconselhável usar o MOSFET ou mesmo alguns IGBT mais novos que suportam tal frequência Pensando no custo o MOSFET é uma alternativa mais interessante do que o IGBT Como avaliação final considerando o melhor custobenefício o MOSFET é a primeira opção seguida do IGBT Fonte elaborada pelo autor Figura 117 Circuito de chaveamento do motor com transistor de potência Na Figura 118 são apresentadas as configurações mais utilizadas em circuitos com chaveamento Observe que tanto o TBJ quanto o MOSFET e o IGBT são usados para controlar um LED de alta potência U1 Semicondutores de potência 32 Fonte adaptada de Learning about Eletronics 2016a Figura 118 Topologias do circuito acionamento de LED com TBJ MOSFET e IGBT No caso do TBJ a corrente de controle flui pela base e a saída está no coletor Quando a tensão na base é maior do que 06V ou qualquer que seja o VTH do seu transistor o transistor satura formando um curto circuito entre coletor e emissor Já quando a tensão na base é inferior a 06V o transistor está em corte e teoricamente nenhuma corrente flui entre coletor e o emissor Você notará que cada um desses circuitos usa uma resistência entre a entrada de controle e a de base Rbias no TBJ ou a de porta Rbias1 e Rbias2 nos MOSFET e IGBT Não se esqueça de adicionar este resistor Um TBJ sem resistência na base é como um LED sem resistência de limitação de corrente O resistor precisa ser grande o suficiente para efetivamente limitar a corrente mas suficientemente pequeno para alimentar a corrente de base No caso do IGBT basicamente você apenas aumenta a tensão na porta acima de um certo nível em torno de alguns volts definido no datasheet para ativálo assim como faria com um MOSFET e então a corrente fluirá entre o coletor e o emissor Lembrese que um IGBT é essencialmente um MOSFET que controla TBJ integrados em uma única peça de silício A principal vantagem dos módulos IGBT é a sua maior capacidade de controle de tensão e corrente quando comparada a do MOSFET com preço equivalente Poucos MOSFET possuem capacidade de operar com tensão acima de 4500V e corrente superiores a alguns amperes Os módulos IGBT chegam a valores de 6300V com correntes na ordem de 600A A Tabela 11 reúne as características típicas dos três transistores estudados aqui U1 Semicondutores de potência 33 Sem medo de errar Pesquise mais Fonte adaptada de httpwwwbrainkartcomarticleInsulatedGateBipolarTransistorIGBTandits Characteristics12540 Acesso em 16 out 2017 Tabela 11 Características dos transistores TBJ MOSFET e IGBT Características TBJ MOSFET IGBT Tensão de operação Alta 1kV Alta 1kV Muito alta 1kV Corrente de operação Alta 500 A Baixa 200 A Alta 500 A Faixa de entrada Corrente hFE 20200 Tensão VGS 3 10 V Tensão VGE 4 8 V Impedância de entrada Baixa Alta Alta Impedância de saída Baixa Média Baixa Velocidade de chaveamento Lenta μs Rápida ns Média Custo Baixo Médio Alto Acesse o datasheet do 2N3055 um dos transistores de potência mais populares utilizado em aplicações industriais controle e mecatrônica Capaz de dissipar potência de até 115 W e de operar com correntes de coletor de até 15 A podemos usálo em fonte de alimentação amplificador de áudio controle de potência além de outras aplicações que envolvam corrente contínua e baixas frequências Disponível em httpwwwonsemicompubCollateral2N3055DPDF Acesso em 15 out 2017 Retomamos agora o desafio do jovem supervisor técnico no projeto do sistema geração de energia solar Ao analisar o projeto ele identificou a necessidade de inserir um circuito eletrônico que evite que os picos de tensão ou corrente do painel solar fluam na bateria Esse circuito é implementado com transistor de potência além de diodos e regulador de tensão LM317 ou LM338 O regulador mantém a tensão constante e pode operar com correntes tão altas quanto 1 A Se o painel solar produzir uma corrente inferior a 1 A o transistor não conduz e a corrente flui do painel até a carga Com essas informações o supervisor deve avaliar a possível topologia do circuito assim como as suas vantagens U1 Semicondutores de potência 34 Sabemos que a energia de um painel solar é efetivamente armazenada em baterias Embora possa parecer bastante simples carregar uma bateria de um painel solar nunca é fácil devido à variação de irradiação solar ou irradiância que causa alterações tanto na tensão quanto na corrente fornecida pelo painel solar Esses motivos podem tornar o carregamento de uma bateria muito imprevisível e perigoso Mas graças aos circuitos integrados modernos como o LM338 o processo de carregamento das baterias por meio de um painel solar tornouse muito seguro A Figura 119 mostra o diagrama de circuito usando o LM338 Observe que existe um transistor TBJ BC547 NPN responsável pelo controle do LM338 Note que nesse caso o TBJ é recomendado dado que esse circuito opera em baixa frequência Fonte adaptada de Homemade Circuits 2016a Figura 119 Topologia do circuito de proteção da bateria com LM338 e dois TBJ Observe que a corrente aumenta na entrada do LM338 quando a intensidade do raio solar aumenta Nesse caso a tensão do controle cai proporcionalmente puxando a corrente de volta para a faixa especificada Como podemos ver no diagrama o coletoremissor do transistor BC547 é responsável pelo controle da corrente À medida que a corrente de entrada sobe a bateria começa a receber mais corrente e isso gera uma tensão em R3 Essa tensão gera uma corrente de base no TBJ reduzindo a corrente que passa pelo LM338 Painel solar U1 Semicondutores de potência 35 Avançando na prática O transistor conduz e corrige a tensão através do LM338 de modo que o fluxo de corrente seja ajustado de acordo com os requisitos da bateria Observe que outras resistências foram inseridas de modo a gerar o valor de corrente adequado na base do transistor Outro ponto interessante é a presença de diodos que operam como uma proteção extra para o painel solar e para o LM338 Vale a pena mencionar que essa configuração é a mais simples pois existem formas mais complexas de criar esse circuito usando transistores em paralelo Aqui fica clara a importância do transistor operando como um interruptor Um segundo transistor TIP36 PNP é adicionado em paralelo com o LM338 Este permite o carregamento da bateria com corrente mais elevada já que o LM338 suporta baixa corrente A resistência em série com o emissor do TIP36 deve ser calculada adequadamente pois caso contrário o transistor pode não operar corretamente A opção por um TBJ de potência TIP 36 devese à baixa frequência de operação Escolha do transistor de potência para aplicações em inversores no sistema de energia solar Descrição da situaçãoproblema Os inversores são circuitos que convertem tensão CC em tensão CA Nos inversores de sistema de energia solar os transistores se sobressaem em relação a outros dispositivos de potência A Figura 120 mostra um diagrama de parte de um sistema de energia solar com a conversão da tensão CC painel solar em CA carga por meio de um inversor formado por 6 IGBT Como supervisor técnico você deve avaliar as características dos transistores TBJ MOSFET ou IGBT para apontar os mais apropriados para aplicação em um inversor solar Com a experiência obtida no projeto anterior você sabe que a escolha do transistor é definida por sua capacidade de chaveamento e consumo de potência E então qual o transistor mais indicado para esta aplicação U1 Semicondutores de potência 36 Faça valer a pena Fonte adaptada de CSANY Group 2016a Figura 120 Aplicação de IGBT em retificadores trifásicos Resolução da situaçãoproblema Com relação ao chaveamento o MOSFET e o IGBT requerem um circuito de controle simples devido à estrutura de entrada MOS em comparação aos dispositivos de potência controlados por corrente tiristor BJT Logo o inversor na Figura 120 é mais simples quando formado por IGBT ou MOSFET Com relação à potência todos os transistores têm perdas de condução e de comutação O IGBT tem perdas de condução mais baixas mas maiores perdas de comutação em comparação com os melhores MOSFET No caso dos inversores a perda de condução é o fator crítico o que torna a escolha do IGBT mais adequada Com base nas duas análises o IGBT sobressai em relação ao MOSFET e o TBJ em aplicações de inversores solar 1 Na operação do TBJ é necessário fornecer uma corrente de base adequada para garantir o estado ligado para uma operação segura e satisfatória da chave Logo a corrente de base mínima para garantir o estado ligado é dado por IC βIB em que β é o parâmetro descrito no datasheet do transistor O transistor no circuito da Figura 121 possui VCE15 V e β50 Com o valor das correntes de coletor IC e de base IB determine a corrente IE que passa pelo emissor em ampère U1 Semicondutores de potência 37 Fonte elaborada pelo autor Figura 121 Aplicação do TBJ e as suas equações característicast a 34 b 40 c 20 d 15 e 100 2 Os transistores podem ser classificados pela potência consumida e velocidade de chaveamento Os TBJ possuem menor velocidade de chaveamento enquanto os MOSFET são os mais rápidos O IGBT possui uma velocidade de chaveamento intermediária O tempo de chaveamento de um MOSFET de potência é na ordem de a Segundos b Milisegundos c Microsegundos d Nanosegundos e Minutos 3 O IGBT transistor bipolar de porta isolada é uma estrutura híbrida de MOSFET transistor de efeito de campo metalóxidosemicondutor e TBJ transistor bipolar de junção de potência Ele possui características de ambos dispositivos compensando as limitações do MOSFET e TBJ de forma eficiente Entre as opções abaixo qual indica as principais vantagens do IGBT em relação aos transistores TBJ e ao MOSFET respectivamente a É mais rápido e consome menos potência b Opera com maior corrente e opera com mais tensão c Opera com maior tensão e é mais rápido d Consome menos potência e é mais rápido e Opera com maior corrente e consome menos potência U1 Semicondutores de potência 38 Diálogo aberto Tiristores Nesta seção você estudará sobre o tiristor um importante dispositivo de potência que se apresenta disponível como o SCR GTO IGCT MCT TRIAC e DIAC O retificador controlado de silício SCR é o tiristor mais difundido e por esse motivo será usado neste material para explicar a teoria dos tiristores O SCR funciona similarmente a um diodo com um terceiro terminal responsável pelo controle da condução como mostrado na Figura 122 Esse dispositivo é usado na conversão de potência em sistemas CC e CA sendo encontrado em controles de relés fontes de tensão reguladas controles de motores inversores retificadores controladores de luminosidade entre muitos outros exemplos A sua importância aumentou com a evolução da indústria semicondutora fato que tornou o dispositivo menor mais confiável e com custo inferior Fonte elaborada pelo autor Figura 122 Símbolo do a diodo b tiristor Retornando ao contexto você é o responsável técnico que integra a equipe de projetos de circuitos eletrônicos Agora você terá o desafio de desenvolver um circuito que informe condições de sombreamento ou de interrupção da luz que incide no painel solar Sabemos que vários objetos podem interromper a captura de luz o que traz prejuízos na geração de energia elétrica Assim no momento em que a luz é interrompida um sinal sonoro deve ser emitido de modo que uma equipe técnica possa avaliar o motivo da suspensão na captura dos raios solares Seção 13 U1 Semicondutores de potência 39 Não pode faltar Para auxiliálo nessa tarefa vamos discutir a operação e as características dos tiristores de potência em especial as do SCR Vamos conhecer os parâmetros de operação deste componente eletrônico e as suas aplicações Espero que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Entre a grande variedade de tiristores o retificador controlado de silício SCR é um dos mais antigos e difundidos Ele é o mais popular devido ao seu chaveamento rápido tamanho pequeno e suas taxas de corrente e tensão elevadas Assim ele é o escolhido para analisarmos a estrutura e operação dos tiristores O SCR é um dispositivo de três terminais nomeados de anodo catodo e porta Observe na Figura 123 a que o seu símbolo sugere a sua operação como diodo com um gatilho para iniciação da mesma Como mostrado na Figura 123 b ele consiste em quatro camadas PNPN formando três junções PN que de acordo com a tensão em seus terminais funcionam como um interruptor ou como um diodo de retificação Como veremos na unidade seguinte a retificação é a conversão da corrente alternada CA em corrente contínua CC Assim os tiristores são usados em conversores CACC Fonte Adaptado de RADIO ELECTRONICS 2016 Figura 123 Tiristor a símbolo b estrutura PNPN c circuito equivalente O funcionamento do tiristor pode ser explicado melhor supondo que seja constituído por um par de transistores conectados mostrado na Figura 123 c O circuito equivalente de dois transistores mostra que a corrente de coletor do transistor NPN TR2 se alimenta U1 Semicondutores de potência 40 diretamente na base do transistor PNP TR1 enquanto a corrente de coletor de TR1 alimenta a base de TR2 Esses dois transistores interconectados dependem um do outro para a condução pois cada um obtém sua corrente de base e emissor da corrente do coletoremissor do outro Portanto até que um dos transistores tenha fornecido uma corrente de base nada pode acontecer mesmo que se tenha uma tensão anodocatodo Quando o terminal anodo está negativo em relação ao catodo a junção NP central é diretamente polarizada e as duas junções PN externas são polarizadas reversamente Assim o tiristor se comporta como um diodo comum Portanto o tiristor SCR bloqueia o fluxo da corrente inversa até que em algum nível de alta tensão o ponto de tensão de quebra das duas junções externas seja excedido e o tiristor conduza sem a aplicação de uma tensão no terminal de porta Esta é uma característica importante do tiristor pois ele involuntariamente pode passar a conduzir devido a uma sobretensão bem como a alta temperatura ou uma variação de tensão dv dt abrupta Se o terminal anodo se tornar positivo em relação ao catodo as duas junções PN externas são agora polarizadas diretamente mas a junção NP central é polarizada inversamente Portanto o tiristor não está conduzindo Se uma corrente positiva for injetada na base do transistor NPN TR2 a corrente do coletor resultante flui na base do transistor TR1 Isso por sua vez faz com que uma corrente de coletor flua no transistor PNP TR1 que aumenta a corrente de base de TR2 e assim por diante Muito rapidamente os dois transistores entram em saturação Assim a aplicação de um pulso momentâneo na porta do tiristor é suficiente para que ele conduza e permaneça permanentemente ligado mesmo que o sinal seja removido Então como podemos desligar o tiristor Uma vez que ele está ligado e conduzindo corrente só pode ser desligado removendo a tensão de alimentação e portanto removendo a corrente de anodo ou a reduzindo por meios externos a abertura de uma chave por exemplo abaixo de um valor mínimo comumente chamado de corrente de manutenção IH Outro parâmetro muito importante do tiristor é a corrente mínima de disparo IGT Ela é a corrente mínima de anodo requerida para manter o SCR ligado imediatamente após U1 Semicondutores de potência 41 ocorrer a passagem do estado desligado para o ligado e ser removida a corrente na porta Assimile Dispositivos SCR típicos possuem corrente de manutenção IH e de disparo IGT entre 01 a 50 mA O valor dessas correntes é sensível à temperatura de modo que estas aumentam quando a temperatura diminui Por exemplo o IGT do tiristor TN1205J é inferior a 5 mA à temperatura de 25 C Quando a temperatura atinge 0 C o IGT atinge o valor de 68 mA sendo necessária uma corrente maior para manter o dispositivo ligado Uma vez que o tiristor tem a capacidade de desligar sempre que a corrente do ânodo é reduzida abaixo do valor de corrente de manutenção é seguese que quando usado em uma fonte de alimentação senoidal o SCR se desligará automaticamente em algum valor a cada meio ciclo e permanecerá desligado até a aplicação do próximo impulso na porta Este efeito é conhecido como comutação natural e é uma característica muito importante do SCR Então podemos ver que um tiristor bloqueia a corrente CA em seu estado desligado e pode ser ativado e feito para atuar como um diodo de retificação normal pela aplicação de uma corrente positiva no terminal de porta Assim aplicando um sinal na porta no momento apropriado durante a metade positiva de uma forma de onda CA o tiristor é acionado até a conclusão do meio ciclo positivo Logo o controle de fase como é chamado pode ser usado para acionar o tiristor em qualquer ponto ao longo da metade positiva da forma de onda CA Um dos muitos usos de um SCR está no controle de potência dos sistemas de CA mostrado na Figura 124 Fonte adaptada de Radio Eletronics 2016 Figura 124 Operação do tiristor como retificador a diagrama do circuito b forma de onda U1 Semicondutores de potência 42 Observe na Figura 124 b que no início de cada meio ciclo positivo o SCR está desligado Sob a aplicação do pulso na porta o SCR inicia a condução e permanece ligado durante o ciclo positivo Se o tiristor for disparado no início do meio ciclo a carga lâmpada estará ligada para o ciclo positivo da onda senoidal À medida que a aplicação do impulso do gatilho na porta se desloca ao longo do meio ciclo a lâmpada é alimentada por menos tempo e a tensão média fornecida para ela terá proporcionalmente menos brilho Até agora vimos que o tiristor SCR é essencialmente um dispositivo de meia onda que conduz apenas a metade positiva do ciclo quando o anodo é positivo Além disso ele bloqueia o fluxo de corrente como um diodo quando o anodo é negativo independentemente do sinal na porta Isso faz com que esse dispositivo de estado sólido seja útil para controlar motores de corrente alternada lâmpadas e aquecedores Mas há tipos de tiristores que podem ser conduzidos em ambos os sentidos formando os dispositivos de onda completa ou podem ser desligados pelo sinal da porta Eles incluem tiristor comutável pela porta GTO tiristor de Indução estática SITH tiristor controlado por MOS MCT interruptor controlado de silício SCS triodo para corrente alternada TRIAC e tiristores ativados por luz LASCR para citar alguns Todos esses dispositivos estão disponíveis em uma variedade de classificações de tensão e corrente tornandoos atraentes para uso em aplicações com níveis de potência muito elevados A Figura 125 mostra a curva característica da corrente de tensão de operação IV para a operação de um retificador controlado por silício SCR Fonte adaptado de All about Circuits 2015 Figura 125 Curva característica do tiristor SCR Corrente direta Tensão reversa Tensão reversa de ruptura Tensão reversa de bloqueio Corrente reversa Tensão direta de bloqueio estado desligado U1 Semicondutores de potência 43 Pesquise mais Alguns parâmetros mostrados na curva característica do tiristor SCR estão presentes nos outros tiristores de modo que esses são usados na classificação desses dispositivos A Tabela 12 tem a descrição de um conjunto de parâmetros relacionados aos tiristores sendo alguns mais relevantes na escolha do dispositivo mais adequado a uma aplicação específica Os parâmetros fundamentais para selecionar um tiristor são a taxa de corrente didt principalmente ligada à temperatura de operação a taxa de tensão dvdt de acordo com a carga a se controlar e principais tensões a corrente de disparo IGT depende da capacidade de corrente na saída do circuito e do nível de imunidade dvdt desejado A escolha de um tiristor não depende somente da tensão e corrente nominal ou da sensibilidade Outros parâmetros devem ser levados em consideração Um desses parâmetros é a corrente de manutenção IH que desempenha funções importantes como o aumento da margem de disparo do circuito O valor deste parâmetro varia com dispersão das características de fabricação temperatura circuito de controle e direção do fluxo de corrente Um tiristor com corrente de manutenção elevada é requerido em algumas aplicações tal que este pode ser desligado facilmente sem a necessidade de uma redução brusca na corrente de anodo Em outras aplicações em que a corrente de carga é normal é desejável ter uma corrente de manutenção baixa que garanta a operação do tiristor com cargas menores Tabela 12 Parâmetros dos tiristores Parâmetro Sigla Significado Corrente de disparo IGT Mínima corrente de anodo requerida para chavear o tiristor do estado desligado para o estado ligado Corrente de manutenção IH Mínima corrente de anodo requerida para manter o tiristor em estado ligado ou é a mínima corrente abaixo da qual o dispositivo passará do estado ligado para o estado desligado Tensão reversa de pico VRRM Máxima tensão que pode ser aplicada através do tiristor em condição de polarização reversa U1 Semicondutores de potência 44 Exemplificando Tensão inversa de pico VDRM Máxima tensão que o dispositivo pode seguramente suportar em seu estado desligado Tensão no estado ligado VT Tensão que aparece em torno do dispositivo durante o estado ligado Tensão de disparo VGT Tensão de porta mínima necessária para produzir a corrente de gatilho da porta Taxa de tensão VAK dvdt Máxima taxa de tensão em torno do dispositivo sem ter o disparo Taxa de corrente IAK didt Máximo aumento de corrente que um tiristor pode suportar sem efeito deletério Tempo de desligamento com comutação do circuito tq Intervalo de tempo entre o instante em que a corrente diminuiu para zero e o instante em que o tiristor é capaz de suportar uma tensão especificada sem ligar Tempo de ligamento de porta controlada tgt Intervalo de tempo entre o aumento de 10 do impulso da porta e o aumento de 90 do pulso de corrente do tiristor do estado desligado para o estado ligado Dissipação de potência média na porta PG Potência média que pode ser dissipada entre a porta e o terminal do cátodo durante um ciclo completo Dissipação de potência máxima na porta PGM Potência máxima que pode ser dissipada entre a porta e o terminal do cátodo por um período de tempo especificado Fonte adaptado de Littelfuse 2017 Para entender a importância do efeito da temperatura na corrente de manutenção veja o exemplo do controle de um pequeno motor de alta impedância por tiristor SCR No momento de seleção do dispositivo um especialista escolhe um com uma corrente de manutenção IH que ele julga ser a mais adequada para tal operação O motor é montado em equipamentos que estão dispostos a céu aberto O equipamento funciona bem no verão operando com o desempenho esperado Mas no inverno o equipamento apresenta falhas O que aconteceu Aqui temos um caso típico do efeito da queda de temperatura na operação do equipamento Um dos componentes que sofre com o efeito da temperatura é o tiristor A temperatura altera seus parâmetros afetando diretamente a corrente de manutenção A corrente de manutenção aumenta com a redunção da temperatura sendo necessário uma maior U1 Semicondutores de potência 45 Reflita corrente para que o tiristor permaneça ligado Logo o circuito não fornece a corrente suficiente para continuar ligado e o TRIAC deixa de operar desconfigurando a operação do motor Até aqui estudamos as características do SCR o tiristor de uso mais difundido Como vimos este é um dispositivo de três terminais normalmente desligado sendo acionado por uma pequena corrente em seu terminal de porta Existe uma grande variedade de tiristores cada um com características específicas Eles possuem de 2 a 4 terminais e são encapsulados com padrões diferentes Na Figura 126 temse a TRIAC encapsulado numa estrutura TO220 b SCR em um pacote plano de plástico e c IGCT em uma placa de circuito impresso O DIAC por exemplo é um tiristor de dois terminais que conduz quando a tensão em seus pinos excede a tensão de ruptura do dispositivo Para um tiristor de três terminais o caminho da corrente é controlado pelo terminal de porta e quando uma tensão ou corrente é aplicada a este pino o tiristor conduz corrente entre o anodo e o catodo O estudo do tiristor SCR é a base para o aprendizado da operação dos outros tiristores Aprendemos que os tiristores apresentam parâmetros de corrente tensão potência e tempo de operação que caracterizam cada dispositivo Cada tiristor também possui um modo de operação específico divergindo no número de terminais estrutura física e Fonte adaptada de CH Tecnology 2016 Figura 126 Tiristores com diferentes encapsulamentos a TRIAC b SCR c IGCT a b AAnode CCathode Ggate A anodo C Catodo P porta P c U1 Semicondutores de potência 46 funções Assim você já se questionou o quão diferente são os outros tiristores do SCR de modo que se justifique a escolha de um tiristor em detrimento a outro Retomando a flexão entre as diferenças dos tiristores seguem duas comparações A primeira é entre o SCS e o SCR O SCS opera de forma semelhante ao SCR Porém o SCS pode ser desligado aplicando um pulso positivo no terminal do anodo ou ligado aplicando um pulso negativo no anodo características não contempladas nos SCR Essas particularidades tornam o SCS úteis em contadores controle de lâmpadas ou dimmer circuitos lógicos etc A segunda comparação é entre o TRIAC e o SCR Este também é semelhante ao SCR mas conduz em ambas as direções Isso significa que o TRIAC pode alternar as correntes CA e CC Diferente do SCR este permanece ligado apenas quando há corrente na porta desligandose quando esta corrente é removida Na Tabela 13 são descritos alguns tipos de tiristores e as suas características Tabela 13 Tipos de tiristores Sigla Tipo Característica SCR Controlado de silício Possui três terminais Controla o sinal CC ou meia onda de sinal CA positivo ou negativo GTO Desligado pela porta Possui três terminais Similar ao SCR mas com opção de desligamento com o uso corrente negativa na porta ETO Desligado pelo emissor Possui quatro terminais Combina vantagens do GTO e do MOSFET Possui portas de ligamento e desligamento RCT Condução reversa Com três terminais Possui um diodo reverso integrado TRIAC Triodo bidirecional Com três terminais controla a onda completa do sinal CA de entrada Opera com corrente inferior ao SCR DIAC Diodo bidirecional Possui dois terminais Não possui terminal de controle e conduz corrente após a tensão de disparo ser atingida MTO Desligado por MOS Possui três terminais Semelhante ao GTO mas com terminal de porta isolado e controlado por tensão U1 Semicondutores de potência 47 Fonte adaptado de Thyristor Classification 2012 BCT Bidirecional controlado por fase Possui quatro terminais São dois tiristores integrados em um único dispositivo LASCR SCR ativado por luz Possui três terminais Similar ao SCR mas ativados por luz ao invés de corrente na porta IGCT Comutado por porta integrada Possui três terminais Similar ao GTO mas opera em frequência maior SCS Com chave de controle Com quatro terminais Similar ao SCR mas com menor tempo de desligamento e limitado a potência menor Os tiristores são usados principalmente para controlar correntes alternadas onde a mudança de polaridade da corrente faz com que o dispositivo desligue automaticamente Eles são utilizados em circuitos como dimmer regulador de luminosidade controlador de velocidade do motor etc Tiristores apresentam velocidade de comutação rápida e eles podem desligar normalmente em 1μs Fonte adptada de Circuits Today 2009 Figura 127 Aplicação de DIAC e TRIAC em um dimmer de luz CA Para exemplificar o uso do tiristor na Figura 127 temse um dimmer formado por um DIAC e um TRIAC e alguns componentes passivos O capacitor é carregado através dos resistores e quando a tensão em uma extremidade do DIAC excede a tensão de ruptura ele conduz e envia uma corrente para a porta do TRIAC o suficiente para ativá lo Assim a lâmpada acende Depois que o capacitor é descarregado para uma tensão abaixo da tensão de ruptura do DIAC o DIAC TRIAC e a lâmpada desligam Então o capacitor é carregado novamente e assim por diante Assim a lâmpada só é alimentada por uma fração de tempo durante a onda senoidal completa Isso acontece muito U1 Semicondutores de potência 48 Sem medo de errar Pesquise mais rapidamente e a lâmpada parece escurecida O brilho é ajustado usando o potenciômetro Acesse o link abaixo e conheça o datasheet de um tiristor SCR um dispositivo amplamente utilizado No datasheet avalie os parâmetros do SCR que foram descritos nessa seção bem como suas curvas características Disponível em httpswwwvishaycomdocs94388vs40tpsseries pdf Acesso em 24 out 2017 Retornando ao contexto da nossa situaçãoproblema você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um sistema fotovoltaico Um dos problemas com a geração da energia elétrica por meio de painéis solares é a interrupção da captura de raios solares devido a presença de um obstáculo Como os painéis solares são instalados nos telhados de casas e prédios é comum que a presença de folhas galhos e outros objetos atrapalhem a condução causando sombreamento total ou parcial do painel Para resolver essa situação considerase criar um circuito capaz de detectar a ausência de luz Esse deve emitir um sinal sonoro sempre que a luz cessar com a finalidade de avisar que houve a interrupção Cabe ressaltar que painéis solares possuem diodos bypass para proteção em caso de correntes reversas elevadas que ocorrem na interrupção da luz solar ou sombreamentos A Figura 128 ilustra a ideia do alarme de feixe de luz Nele o feixe de luz em Tx é direcionado para a unidade Rx que geralmente é projetado para ativar um alarme externo ou mecanismo de segurança quando um animal ou objeto entrar no feixe e obstruir o contato ótico entre o Tx e Rx U1 Semicondutores de potência 49 Fonte adaptada de Nutsvolts 2015 Figura 128 Ideia do alarme de feixe de luz Como passo inicial você deve avaliar os dispositivos capazes de realizar essa tarefa Estudamos na seção que a maioria dos tiristores possuem um terminal porta capaz de controlar a passagem de corrente disparo entre dois outros terminais anodo e catodo Dessa forma o sistema ao detectar a interrupção e assim a ausência de luz gera um sinal de corrente na porta do tiristor Em série com o tiristor temse um sistema sonoro que é habilitado no momento do disparo Um exemplo simples de um sistema com lâmpada e LDR resistor dependente de luz que ativa um alarme se o feixe for interrompido é apresentado na Figura 129 O feixe é gerado através de uma lâmpada elétrica comum e uma lente e é focado na face de um LDR na unidade Rx remota que funciona como um alarme ativado por escuridão Fonte adaptada de Nutsvolts 2015 Figura 129 Sistema de detecção de interrupção de raios solares Normalmente o LDR está iluminado pela luz de modo que ele está com valor baixo de resistência e assim temse pouca tensão no nó RV1LDR deixando o SCR e o alarme desligados Quando a luz é obstruída no entanto a resistência do LDR tornase alta e aparece Tx Rx lente lente Feixe de luz alarme de saída módulo detector de luz módulo fonte de luz U1 Semicondutores de potência 50 Avançando na prática na junção RV1LDR uma tensão suficiente para disparar o SCR o que acende o alarme O tiristor SCR C106D considerado é usado em aplicações de bens de consumo de volume grande que envolvam controle de temperatura luz e velocidade e sistemas de segurança em que a confiabilidade é importante É um dispositivo com alta sensibilidade na porta que dispara com uma corrente típica de 15 μA para uma temperatura de 25C No datasheet também é possível observar que ele suporta corrente RMS máxima de 4 A em uma temperatura de 80C A corrente reversa de pico máxima é de 02 A A corrente de manutenção típica que é aquela sob o qual o tiristor continua ativado é de 019 mA A solução proposta aqui não é única É possível obter soluções considerando os outros tiristores estudados na seção É interessante que no circuito considerado além do tiristor temse um transistor 2N3904 além de um diodo IN4001 dispositivos que já foram estudados nas seções anteriores Como sugestão você poderia avaliar a forma de onda na carga sistema sonoro em condições normais e em condições de operação quando a célula solar está bloqueada Avaliação do uso de um TRIAC no chaveamento de um sistema de iluminação Descrição da situaçãoproblema Em um outro contexto você foi investigar o problema em um sistema de acionamento de uma lâmpada construído com um TRIAC Quando o botão para ligar o circuito é pressionado nada acontece e a lâmpada não acende As fiações elétricas da fonte de alimentação botoeira tiristor e lâmpada são ilustradas Ao avaliar o circuito quais seriam os potenciais problemas O que há de errado com este circuito Quais seriam as sugestões para correção da falha U1 Semicondutores de potência 51 Faça valer a pena Fonte httpswwwallaboutcircuitscomworksheetsthyristorapplicationcircuits Acesso em 16 out 2017 Fonte httpswwwallaboutcircuitscomworksheetsthyristorapplicationcircuits Acesso em 16 out 2017 Figura 130 Sistema de iluminação com acionamento de TRIAC com mau funcionamento Figura 131 Sistema de iluminação com acionamento de TRIAC funcionamento correto Resolução da situaçãoproblema Ao avaliar a fiação do circuito você nota que os terminais de anodo e catodo do TRIAC precisam ser invertidos Mesmo que o TRIAC seja um dispositivo bidirecional devese considerar onde a tensão de disparo é aplicada entre terminais de porta e anodo ou entre terminais de porta e catodo Este aspecto geralmente é omitido em textos de dispositivos de tiristores mas é importante para realizar a correta ligação do circuito 1 Existe uma grande variedade de tiristores cada um com características específicas Eles possuem de dois a quatro terminais e são encapsulados com padrões diferentes O DIAC por exemplo é um tiristor de dois terminais que conduz quando a tensão em seus pinos excede a tensão de ruptura do dispositivo Para um tiristor de três terminais o caminho da corrente é controlado pelo terminal de porta e quando uma tensão ou corrente é aplicada a este pino o tiristor conduz U1 Semicondutores de potência 52 Considerando os diversos tipos de tiristores qual das opções descreve as características do retificador controlado de silício SCR a Possui três terminais Controla o sinal CC ou meia onda de sinal CA positivo ou negativo b Possui três terminais Tem opção de desligamento com o uso corrente negativa na porta c Tem quatro terminais Combina o GTO e o MOSFET Possui portas de ligamento e desligamento d Com três terminais controla a onda completa do sinal CA de entrada e Possui dois terminais Conduz corrente após a tensão de disparo ser atingida 2 A escolha de um tiristor não depende somente da tensão e corrente nominal ou da sensibilidade Outros parâmetros deveriam ser levados em consideração Um desses parâmetros é a corrente de manutenção IH que desempenha funções importantes em muitos circuitos O valor deste parâmetro varia com dispersão das características de fabricação temperatura circuito de controle e direção do fluxo de corrente Sabendo que a corrente de manutenção é um parâmetro importante do tiristor qual das seguintes opções mais bem a descreve a Mínima corrente de anodo requerida para chavear o tiristor do estado desligado para o estado ligado b Mínima corrente de anodo requerida para manter o tiristor em estado ligado ou é a mínima corrente abaixo do qual o dispositivo passará do estado ligado para o estado desligado c Máximo aumento de corrente que um tiristor pode suportar sem efeito deletério d Máxima corrente de anodo requerida para manter o tiristor em estado ligado ou é a máxima corrente abaixo do qual o dispositivo passará do estado ligado para o estado desligado e Máxima corrente de anodo requerida para chavear o tiristor do estado desligado para o estado ligado 3 Se o terminal anodo se tornar positivo em relação ao catodo e um tiristor SCR as duas junções PN externas tornamse polarizadas diretamente Assim a aplicação de um pulso momentâneo na porta do tiristor é suficiente para que ele conduza e permanecerá permanentemente ligado mesmo que o sinal seja removido U1 Semicondutores de potência 53 Uma vez que o tiristor SCR retificador controlado de silício está ligado e conduzindo corrente como ele pode ser desligado a Aumentando a tensão no terminal de porta do SCR b Reduzindo a tensão no terminal de porta do SCR c Removendo a tensão de alimentação do tiristor d Reduzindo a corrente no terminal de porta do SCR e Reduzindo a corrente do anodo a valor próximo da corrente de disparo AHMED Ashfaq Eletrônica de potência São Paulo PrenticeHall 2000 479 p ALLABOUTCIRCUITS Power semiconductor devices Disponível em https www allaboutcircuitscomtechnicalarticlesareviewonpowersemiconductor devices Acesso em 24 out 2017 ALLABOUTCIRCUITS Thyristor application circuits Semiconductor devices Disponível em httpswwwallaboutcircuitscomworksheetsthyristorapplication circuits Acesso em 24 out 2017 BORDRY FRÉDÉRICK 2012a p22 Power Converters Definitions and classifications Converter Topologies Disponível em httpswwwgoogle com brurlsairctjqesrcssourceimagescdcadrjauact8ved 0ahU KEwjs3cb72tnWAhWIEZAKHQLZCBwQjxwIAwurlhttps3A2F2Findico cern ch2Fevent2F1733592Fcontributions2F2759532Fattachments2F21877 02F3064032FFBordryPCCASGranadapptxpsigAOvVaw3qR2P6ZChmm ZSOnioaQuust1507300673736624 Acesso em 5 out 2017 BRAINKART Insulated Gate Bipolar Transistor and its characteristics Disponível em httpwwwbrainkartcomarticleInsulatedGateBipolarTransistorIGBTand its Characteristics12540 Acesso em 16 out 2017 CHTECHNOLOGY Specialist in power electronic componenets Disponível em http catalogchtechnologycomcategoryphasecontrolthyristors Acesso em 24 out 2017 CIRCUITSTODAY DIAC Applications Disponível em httpwwwcircuitstoday com diacapplications Acesso em 24 out 2017 CSANYIGROUP APC Galaxy 7000 UPS 500 kVADisponível em httpwww csanyigroup comapcgalaxy7000ups250500kva Acesso em 16 out 2017 EETIMES IGBT Disponível em httpwwweetimescomdocumentaspdoc id1273173 Acesso em 16 out 2017 ELECTRICAL4U1 Power electronic circuit and theory an initial analysis Disponível em httpswwwelectrical4ucomimagesseptember161479897663 png Acesso em 5 out 2017 ELECTRICAL4U2 List of many Application of Power Electronics Disponível em https wwwelectrical4ucomapplicationofpowerelectronics Acesso em 5 out 2017 ELECTRONICSTUTORIALS Thyristor tutorial Disponível em httpwww electronicstutorialswspowerthyristorhtml Acesso em 24 out 2017 ELECTRONICS TUTORIALS MOSFET APPLICATIONS Disponível em httpwww electronicstutorialswsamplifiermosfetamplifierhtml Acesso em 16 out 2017 FARNELL Power Diode and Fast Recovery Maximum Ratings and Electrical Characteristics Multicomp Disponível em httpwwwfarnellcom datasheets1684933 pdf Acesso em 5 out 2017 Referências GETNER Jon The Idea Factory Bell Labs and the Great Afe of Innovation The Peguin Press 2012 HART Daniel W Eletrônica de potência análise e projetos de circuitos Porto Alegre Bookman 2012 xvi 478 p ISBN 9788580550450 HOMEMADECIRCUITS How to make solar inverter circuit Disponível em httpswwwhomemadecircuitscom201202howtomakesolarinvertercircuit html Acesso em 16 out 2017 LEARNING ABOUT ELECTRONICS How to connect a transistor in a circuit Disponível em httpwwwlearningaboutelectronicscomArticlesHowto connectatransistorinacircuitforamplification Acesso em 16 out 2017 LITTELFUSE Electrical parameters terminology Disponível em httpwww littelfuse commediaelectronicstechnicalapplicationnotesswitching thyristorlittelfuse electricalparameterterminologyapplicationnotepdf Acesso em 24 out 2017 MAHELA PRAKASH e SHAIK GAFOOR Comprehensive Overview of Grid Interfaced Solar Photovoltaic Systems DOI 101016jrser201609096 Renewable and Sustainable Energy Reviews 68 Fevereiro 2017 MBRF20100CTG Switchmode Schottky Power Rectifier MBRF20100CTG Disponível em httpswwwonsemicompubCollateralMBRF20100CTDPDF Acesso em 5 out 2017 MOHAN Ned UNDELAND Tore M ROBBINS William P Power electronics converters applications and design 3nd ed New York NY J Wiley c2003 xvii 802 p ISBN 9780471226932 NURTHY ANANDA Semiconductor power switching devices em https ptslidesharenetrsamurtilecturesemiconductorpowerswitchingdevices47 Acesso em 16 out 2017 NUTSVOLTS Bipolar transistor cookbook em httpwwwnutsvoltscom magazinearticlebipolartransistorcookbookpart1 Acesso em 16 out 2017 NUTSVOLTS Security electronics systems and circuits part4 Disponível em http wwwnutsvoltscommagazinearticlesecurityelectronicssystemsand circuitspart4 Acesso em 24 out 2017 POWER MOSFET WOW MOSFET Disponível em httpwwwwowcomwiki Power MOSFET Acesso em 16 out 2017 RADIO ELECTRONICS TBJ structure and fabrication Disponível em http www radioelectronicscominfodatasemicondbipolartransistorbjtstructure fabricationphp Acesso em 16 out 2017 RASHID M H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron c1999 xxvi 828 p SKYSOLARS Ongrid solar power systems Disponível em httpskysolarscom2 ongridsolarpowersystems2 Acesso em 5 out 2017 THYRISTORCLASSIFICATION Thyristor classification Disponível em http eletech comhtmlwhatisatriodethyristorsiliconcontrolledrectifierand classificationhtml Acesso em 24 out 2017 WARD Transistor Museum Historic Transistor PhotoGallery Motorola 2N176 Disponível em httpsemiconductormuseumcomPhotoGalleryPhotoGallery Motorola2N176htm Acesso em 16 out 2017 Unidade 2 Circuitos de comando e retificação Convite ao estudo O uso essencial de retificadores é para obter uma tensão de corrente contínua CC a partir de uma tensão de corrente alternada CA conversor CA para CC Computador laptop e celular são alguns aparelhos eletrônicos que funcionam com tensão CC de modo que os retificadores são essenciais no carregamento de suas baterias Os retificadores podem operar em fase única chamados de monofásicos ou em três fases os retificadores trifásicos Ambos podem ser controlados ou não sendo que o tipo de retificador selecionado depende da carga de saída assim como da sua tensão de entrada Antes do desenvolvimento de retificadores diodos termiônicos de tubo a vácuo eram usados até que se tornaram obsoletos Os retificadores de alta potência possuem dispositivos semicondutores de vários tipos Para a retificação de corrente muito baixa a muito alta diodos são amplamente utilizados Dispositivos com terminal de controle também são usados onde é necessária mais do que uma simples retificação necessitando se de uma tensão de saída variável Estes são tiristores ou outros interruptores de estado sólido de comutação controlada que efetivamente funcionam como diodos para passar a corrente em apenas uma direção Para pôr em prática todo este conhecimento você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Você deverá ser capaz de usar o conhecimento da eletrônica de potência para resolver os desafios que serão apresentados ao longo das seções Nesses desafios você deve apresentar soluções para problemas práticos da eletrônica de potência propondo e avaliando circuitos com retificadores monofásicos e trifásicos Diante dessas questões como você aplicará o conhecimento teórico aprendido ao longo da disciplina em projetos práticos de retificadores de potência Como a teoria permitirá a você encontrar uma solução para uma retificação simples barata e robusta Essas são algumas questões que um técnico faz quando inicia um novo projeto Caro aluno nesta unidade você irá estudar os retificadores monofásicos e trifásicos suas aplicações tipos estruturas topologias e modos de operação Por último serão estudados detalhes dos projetos dos retificadores Desejamos a você bons estudos e esperamos que esteja animado para conhecer a eletrônica de potência U2 Circuitos de comando e retificação 59 Diálogo aberto Conversores CACC retificadores monofásicos Nas últimas décadas a tecnologia de conversão de potência progrediu de forma impressionante Vários conversores foram desenvolvidos e aprimorados com a função de transformar com eficiência a tensão ou corrente nos sistemas eletrônicos Nesta seção você estudará os retificadores circuitos que convertem sinais de corrente alternada CA em sinais de corrente contínua CC Estes são constituídos em sua maioria por dispositivos semicondutores como diodos e tiristores O entendimento sólido da operação dos retificadores é essencial dado o fato de eles estarem presentes nos carregadores de bateria que alimentam os celulares e laptops Retornando o nosso contexto você é o responsável técnico contratado para compor uma equipe de projetos de eletrônica de potência Atualmente a equipe está trabalhando em um projeto de geração de energia fotovoltaica Sua missão é avaliar qual o tipo de retificador monofásico é o mais adequado em um sistema de energia híbrido solar Um sistema híbrido solar é aquele que combina a potência solar do sistema fotovoltaico com outras fontes de geração de energia A função do retificador é fornecer uma tensão contínua adicional como alternativa às interrupções na geração do sistema fotovoltaico A energia é interrompida em situações de sombreamento em que há redução da geração em sistemas e durante a noite Para auxiliálo nessa tarefa vamos discutir nesta seção a importância dos retificadores monofásicos e conhecer brevemente como esses dispositivos operam Obter uma compreensão sólida do funcionamento dos retificadores tornará mais fácil e prazerosa a continuação do curso Assim convidamos você aluno a se dedicar estudando prontamente os conteúdos desta seção Esperamos que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Seção 21 U2 Circuitos de comando e retificação 60 Não pode faltar Um retificador é um dispositivo elétrico que converte corrente alternada CA em corrente contínua CC Nesta seção abordaremos os retificadores monofásicos que podem ser controlados ou não controlados Os retificadores controlados possuem em sua estrutura dispositivos controláveis tal como o tiristor Já os não controlados possuem diodos em sua estrutura O sinal de entrada pode ser retificado completamente no ciclo positivo e negativo do sinal CA por um retificador de onda completa ou ainda parcialmente em apenas um dos ciclos por um retificador de meia onda A Figura 21 resume as classificações dos retificadores Veremos também nesta seção os retificadores monofásicos e na Seção 2 os trifásicos Fonte elaborada pelo autor Figura 21 Retificador monofásico de meia onda com carga resistiva Os retificadores não controlados monofásicos são amplamente utilizados na conversão de potência Na maioria dos casos eles são usados para fornecer uma fonte de tensão CC não regulada intermediária que é processada posteriormente para obter uma saída de CC ou CA regulada Em geral eles são estágios de potência eficientes e robustos No entanto sofrem algumas desvantagens A principal é a incapacidade de controlar a magnitude de tensãocorrente de saída CC quando os parâmetros de tensão e carga da entrada permanecem fixos Eles também são unidirecionais no sentido de que permitem que a energia elétrica flua somente do lado da corrente alternada para o lado de sinal contínuo Essas duas desvantagens dos retificadores não controlados são consequências diretas do uso de diodos de potência que podem bloquear a tensão apenas em uma direção Essas duas desvantagens são superadas se os diodos forem substituídos por tiristores Os conversores resultantes são formados por retificadores U2 Circuitos de comando e retificação 61 Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 150 2000a Figura 22 Retificador monofásico de meia onda com carga resistiva controlados Os tiristores podem ser ativados aplicando um pulso de corrente no seu terminal da porta No entanto eles não podem ser desligados pelo terminal da porta Portanto o conversor controlado continua exibindo formas de onda de tensãocorrente de saída dependentes da carga como no caso do não controlado Entretanto uma vez que o tiristor pode bloquear a tensão direta a magnitude da tensãocorrente de saída pode ser controlada ajustando o tempo de disparo dos tiristores O princípio de funcionamento dos conversores controlados monofásicos de tiristores será explicado nos casos de um único circuito retificador com carga R e RL A Figura 22 a mostra o diagrama de um retificador monofásico controlado de meia onda com uma carga puramente resistiva Uma fonte de tensão alternada VS com tensão de pico Vm é a entrada para o tiristor SCR que opera em polarização direta em meio ciclo positivo A operação é iniciada a partir do ângulo α em que o tiristor T1 conduz e a tensão é aplicada na carga R Durante o período 0 ωt α o tiristor bloqueia a tensão de entrada VS e a tensão de carga V0 permanece zero como mostrado na Figura 22 b Consequentemente nenhuma corrente de carga I0 flui durante este intervalo Assim que um pulso é aplicado na porta do tiristor em ωt α ele liga A tensão através do tiristor VT cai para quase zero e a tensão de alimentação total aparece em toda a carga A partir deste ponto a tensão de carga segue a tensão de alimentação A carga sendo puramente resistiva à corrente de carga I0 é proporcional à tensão de carga V0 resultando em I V R 0 0 21 Em ωt p à medida em que a tensão de alimentação fica negativa a tensão na carga e portanto a corrente na carga tornase zero e U2 Circuitos de comando e retificação 62 tenta inverter a direção No processo o tiristor bloqueia a tensão de alimentação negativa Portanto a tensão na carga e a corrente na carga permanecem em zero até o tiristor ser disparado novamente em ωt 2p α O processo se repete a cada período A tensão média na carga é dada por V med V Õ m cos π α 2 1 22 A transferência de potência para carga é dada por P med V med R 0 0 ² 23 Assim a potência e a tensão podem ser controladas pelo ângulo de disparo A Figura 23 a e b mostra o diagrama de circuito e as formas de onda do retificador monofásico controlado que opera com carga resistiva indutiva RL Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 155 2000a Figura 23 Retificador monofásico de meia onda com carga resistiva e indutiva Como no caso de uma carga resistiva o tiristor inicia a condução quando um pulso é aplicado em ωt α À medida que o tiristor conduz em ωt α a tensão de entrada aparece na carga e a corrente de carga começa a aumentar No entanto ao contrário de uma carga resistiva a corrente na carga não se torna zero em ωt p Em vez disso continua a fluir através do tiristor e a tensão de alimentação negativa aparece na carga forçando a diminuição da corrente na carga Finalmente em ωt β β p o tiristor começa a bloquear a tensão de alimentação e a tensão na carga permanece zero até o tiristor ser ativado novamente no próximo ciclo O ângulo β é aquele em que a corrente na carga torna se zero Importante notar que o valor de β depende dos parâmetros de carga de modo que quanto maior o valor da indutância maior é o U2 Circuitos de comando e retificação 63 valor de β Portanto ao contrário da carga resistiva a tensão de saída média e a potência na carga dependem dos parâmetros de carga A tensão média na carga é dada por 24 A transferência de potência para carga é dada por P med V med Z R L 0 0 ² Assimile Um retificador permite que a tensão de saída assuma valores negativos e positivos em um mesmo ciclo de operação quando operando com uma carga indutiva Observamos na Figura 23 b que a tensão de saída V0 possui valor negativo no intervalo de p a β O valor negativo é indesejável em muitas aplicações e gera uma maior ondulação no sinal de saída Para evitar essa ondulação podese inserir um diodo de retorno paralelo com a carga como na Figura 24 Desse modo a tensão negativa está sobre o diodo e não mais na carga Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 157 2000a Figura 24 Retificador monofásico de meia onda com diodo de retorno As estruturas dos retificadores monofásicos descritas são simples e de baixo custo Como desvantagens eles operam apenas parte do sinal de entrada e apresentam ondulações ripple na sua saída que são componentes CA somados à tensão CC na carga Para superar essa limitação existem os retificadores de onda completa que apresentam o dobro de eficiência e menor tensão de ripple U2 Circuitos de comando e retificação 64 Pesquise mais O ripple é um dos principais problemas nos sinais de saída dos conversores Eles são observados na conversão CA para CC e podem reduzir a eficiência do circuito No entanto eles são eliminadosreduzidos consideravelmente com o uso de filtros capacitivos A Figura 25 mostra que a amplitude do ripple num sinal de meia onda é maior do que o de onda completa o que justifica o uso de filtros maiores nos conversores de meia onda Fonte adaptada de RADIO ELECTRONICS 2017a Figura 25 Tensão de ripple em um retificador de meia onda e onda completa Fonte adaptada de RADIO ELECTRONICS 2016 Figura 26 Retificador monofásico controlado de onda completa com carga RL A Figura 26 mostra o diagrama de circuito de um conversor monofásico controlado de onda completa Em sua estrutura são quatro tiristores T1 T2 T3 e T4 em ponte com os tiristores T1 e T2 disparados juntos enquanto T3 e T4 são disparados 180 após T1 e T2 Notase que sempre que T1 e T2 conduzem a tensão VE em T3 e T4 tornase negativa Portanto T3 e T4 podem ser disparados somente quando a tensão de entrada VE é negativa isto é sobre o meio ciclo negativo da tensão de entrada Da mesma forma T1 e T2 podem ser disparados somente ao longo do meio ciclo positivo da tensão de U2 Circuitos de comando e retificação 65 Reflita Fonte adaptada de RADIO ELECTRONICS 2017a Tabela 21 Retificador monofásico controlado de onda completa com carga RL entrada A operação deste retificador é resumida em quatro modos mostrados na Tabela 21 Pesquise mais É possível que em determinado momento nenhum dos tiristores conduza Essa situação ocorre quando a corrente na carga se torna zero entre os disparos de T1T2 e T3T4 Uma vez que a corrente na carga se torna zero todos os tiristores permanecem desligados Nesta etapa a corrente na carga permanece zero e o conversor opera em condução descontínua Da mesma forma se a corrente na carga for sempre maior do que zero então o conversor funciona no modo de condução contínua Modo Significado α até p No ciclo positivo do sinal CA de entrada T1 e T2 são ativados no ângulo α A tensão na carga é positiva e igual à tensão na entrada A corrente na carga é positiva constante e sem ondulação ripple A indutância da carga armazena energia p até p α Em p a tensão na entrada é zero e após tornase negativa Devido à tensão induzida pelo indutor a carga atua como fonte Assim T1 e T2 estão ativados mesmo com tensão negativa na entrada A tensão de carga é negativa e igual à tensão CA na entrada A corrente de carga é positiva p α até 2p Em wt p α T3T4 são ativados e T1T2 estão desativados Assim o processo de condução é transferido de T1 T2 para T3 T4 A tensão de carga tornase positiva e a energia é armazenada no indutor De p α a 2p T3 e T4 conduzem no ciclo negativo 2p até 2p α Em wt 2p a tensão na entrada passa por zero Tensão do indutor atua novamente como fonte e mantém T3 e T4 ativados Tensão na carga é negativa e igual à tensão de entrada CA Corrente na carga continua positiva Em wt α ou 2p α T3 e T4 são comutados e T1 T2 são ativados A estrutura dos retificadores de onda completa podem ser tipo ponte ou com transformador de derivação central Ambos têm suas próprias vantagens em termos de eficiência Mas o retificador em ponte abordado na seção é amplamente o mais utilizado porque o tipo ponte é formado U2 Circuitos de comando e retificação 66 Exemplificando por tiristores que são mais econômicos do que os transformadores Os carregadores do celular e o do laptop possuem retificador em ponte para converter um sinal CA na fonte de alimentação em um sinal CC A tensão CC é usada no carregamento das baterias que estão dentro da maioria dos dispositivos portáteis Há muitas aplicações para os retificadores de onda completa Você já refletiu sobre quais são os dispositivos eletrônicos usados no seu dia a dia que necessitam de conversão de sinal CA para CC O retificador controlado é formado por dispositivos controlados como os tiristores Quando estes são substituídos por diodos o retificador é chamado de não controlado Então as mesmas estruturas e análises podem ser consideradas para o retificador não controlado A análise tornase mais simples dado que o diodo conduz apenas no ciclo positivo e não conduz no negativo Assim existem retificadores monofásicos não controlados de meia onda e de onda completa que podem estar configurados em ponte ou em transformador com derivação central O circuito retificador de onda completa na Figura 27 consiste em dois diodos conectados a uma carga resistiva R com cada diodo fornecendo corrente à carga Quando o ponto A do transformador é positivo em relação ao ponto O o diodo D1 conduz resultando numa tensão na carga Quando o ponto B é positivo em relação ao ponto O o diodo D2 passa a conduzir fornecendo tensão à carga A tensão na resistência R é a soma das duas formas de onda combinadas Fonte adaptada de RADIO ELECTRONICS 2017a Figura 27 Retificador de onda completa usando transformador com derivação central U2 Circuitos de comando e retificação 67 O cálculo da tensão média CC VCC na saída do retificador é dada por V V CC 2 max p Em que Vmax é a tensão de pico no secundário do transformador Para Vmax de 5V temse V V x V V V CC 2 2 5 3 14 10 3 14 3 18 max p A corrente média CC ICC na saída do retificador é dada por I I CC 2 max p Em que Imax é a corrente de pico no secundário do transformador Para Imax de 100 mA temos I I x mA mA CC 2 2 100 3 14 63 69 max p A potência média CC PCC na saída do secundário é dada por P V I CC CC CC P V I V mA W CC CC CC 3 18 63 69 0 202 Ao retificar uma tensão alternada desejamos produzir uma tensão ou corrente contínua Em aplicações que requerem precisão a tensão fornecida deve ser livre de ripple Uma maneira de se fazer isso é conectando um capacitor de grande valor através dos terminais de tensão de saída em paralelo com a carga resistiva como mostrado na Figura 28 Este tipo de capacitor é conhecido comumente como capacitor de suavização Fonte adaptada de RADIO ELECTRONICS 2017a Figura 28 Circuito de um retificador com carga resistiva e um capacitor de suavização U2 Circuitos de comando e retificação 68 Sem medo de errar Pesquise mais Um dos conversores CACC mais populares é KBU4A Ele é um retificador monofásico de onda completa em ponte É usado em monitores televisões impressoras e equipamentos de áudio Para saber um pouco mais sobre este conversor consulte o datasheet com suas características elétricas e térmicas no link disponível em httpswwwvishaycom docs88656kbu4pdf Acesso em 13 nov 2017 Você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um sistema híbrido solar Um dos problemas com a geração da energia elétrica por meio de painéis solares é a interrupção da captura de raios solares que ocorre devido à presença de um obstáculo ou a escuridão da noite Dessa forma o desenvolvimento de um sistema híbrido é uma solução Um sistema solar híbrido é um sistema que combina energia solar usando um sistema fotovoltaico com outra fonte de energia Sistemas híbridos solares incluem o eólicosolar A Figura 29 ilustra os dispositivos de um sistema hibrido eólico solar em que existe um retificador monofásico Nesse projeto o supervisor técnico deve avaliar o tipo de retificador monofásico mais adequado podendo ser controlado ou não controlado de meia onda ou de onda completa em ponte ou com transformador de derivação central Cabe a você como supervisor técnico definir qual é o retificador mais apropriado para o projeto sabendo que a fonte de energia eólica FEE gera tensão alternada com pico Vp de 10 V Além disso o regulador CC opera com uma tensão CC na faixa de de 48 a 52 V com baixa tensãocorrente de ripple U2 Circuitos de comando e retificação 69 Fonte adaptada de RADIO ELECTRONICS 2017a Figura 29 Sistema híbrido solar com célula fotovoltaica e turbina eólica Para analisar o retificador vamos avaliar primeiro a eficiência A eficiência de um retificador é dada pela razão da potência de saída CC e a potência de entrada fornecida ao circuito A eficiência dos retificadores de meia onda é metade da eficiência dos retificadores de onda completa Além disso eles requerem maior capacitor de suavização para filtrar os componentes CA que afetam o sinal CC de saída Assim os retificadores monofásicos de meia onda não é são melhor opção para essa aplicação Com relação aos retificadores monofásicos de onda completa o tipo com transformador também não é a melhor opção por conta do maior custo em relação ao retificador em ponte além da dificuldade do alinhamento da bobina O retificador em ponte é a melhor opção por possuir uma estrutura simples e de baixo custo já que possui quatro diodos não controlável ou quatro tiristores controlável O retificador monofásico de onda completa em ponte é o mais adequado sendo que este pode ser controlado ou não controlado A tensão de saída média do não controlado Vdc é V V V V x V dc m p d 2 2 2 0 636 10 2 0 7 5 46 p p Em que Vd corresponde à queda de tensão de 07 V em cada diodo e Vp é a tensão de pico de 10 V do retificador Isso resulta em uma tensão de saída média de 546 V acima da faixa de operação do regulador A tensão de saída do retificador controlado é função do ângulo de disparo de modo que esta tensão pode ser ajustada para a faixa de entrada do regulador Assim ela fornece a tensão apropriada Considerando a queda de tensão dos tiristores Vt de 07 V podemos U2 Circuitos de comando e retificação 70 Avançando na prática obter o ângulo de disparo que gera 5 V de tensão média na carga A tensão média do retificador Vdc é dada por V V dc 2 m π α cos Considerandose que Vdc 5V temse que cos α π π V V V dc p t 2 2 5 2 10 2 0 7 0 913 Assim o ângulo α é dado por a 24 2 Portanto a melhor opção é o retificador monofásico controlado de onda completa com ângulo de disparo dos tiristores de 242ºEssa escolha é baseada principalmente no fato de o retificador de onda completa possuir o dobro de eficiência em relação aos retificadores de meia onda Além disso como o regulador usa a tensão contínua de saída do retificador e esta deve estar na faixa de 48 a 52 V Um retificador não controlado não atende esse requisito Avaliação do retificador monofásico com transformador de derivação central Descrição da situaçãoproblema O supervisor técnico de projetos eletrônicos avaliou um problema com a tensão de saída em um retificador monofásico com transformador com derivação central A forma de onda da tensão da saída no ciclo positivo do sinal de entrada não é simétrica com a tensão de saída no ciclo negativo Esse problema gera uma tensão média inferior à esperada Quais seriam os possíveis dispositivos que poderiam causar esse problema Como você pode analisar a forma de onda na saída de cada diodo e poderiam causar esse ao mau funcionamento dos dispositivos U2 Circuitos de comando e retificação 71 Fonte adaptada de Circuit Globe 2017 Figura 210 Retificador monofásico com transformador com derivação central Resolução da situaçãoproblema A Figura 210 a mostra que nos momentos em que a tensão alternada na entrada está na parte positiva apenas o diodo D1 conduz a corrente polarizado diretamente A corrente passa pela carga RL e retorna pelo ponto C do secundário do transformador A Figura 210 b mostra que no próximo instante em que a tensão de entrada tornase negativa o diodo D2 conduz polarizado diretamente e o diodo D1 deixa de conduzir As setas na figura indicam que a corrente passa pela carga RL e retorna pelo ponto C do secundário do transformador Assim na saída do circuito sobre a carga RL surge a tensão de saída retificada mostrada na Figura 210 c O valor médio da tensão Vmed é dada em função da tensão de pico Vm fornecida no secundário do transformador V V V med m m 2 0 63 p A redução de tensão média geralmente ocorre devido a problemas nos diodos ou no transformador Os diodos D1 e D2 devem ser do mesmo tipo Mesmo diodos com mesma numeração podem apresentar diferentes tensões de limite threshold o que pode provocar quedas diferentes de tensão no diodo e assim gerar tensões não simétricas na carga O transformador pode causar a não simetria devido à dificuldade de encontrar o ponto central ponto C que é usado como referência Logo com a referência desequilibrada a tensão na saída não será simétrica motivo sob o qual esses retificadores são substituídos pelo tipo ponte U2 Circuitos de comando e retificação 72 Faça valer a pena 1 Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída controlados x não controlados de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada monofásico trifásico etc e em função do tipo de conexão dos elementos retificadores meia ponte x ponte completa Qual das seguintes opções apresenta duas desvantagens dos retificadores monofásicos em comparação com os retificadores trifásicos a Complexidade e alto custo b Complexidade e baixa eficiência c Alto custo e baixa eficiência d Fator de ripple elevado e baixa eficiência e Baixa robustez e alto custo 2 Um retificador permite que a tensão de saída assuma valores negativos e positivos em um mesmo ciclo de operação quando operando com uma carga indutiva O valor negativo é indesejável em muitas aplicações e gera uma maior ondulação no sinal de saída Para evitar essa ondulação podese inserir um diodo de retorno paralelo com a carga como na Figura 24 Desse modo a tensão negativa está sobre o diodo e não mais na carga Para evitar uma tensão negativa na saída de um retificador com carga RL qual dispositivo eletrônico pode ser inserido em paralelo com a carga a Indutor b Transformador c Diodo de retorno d Capacitor e Resistor 3 A tensão média numa carga RL depende do ângulo de disparo α e de β ângulo em que a corrente de carga tornase zero e o tiristor começa a bloquear a tensão de alimentação É de se notar que o valor de β depende dos parâmetros de carga RL Portanto ao contrário do que ocorre com a carga resistiva a tensão de saída média na carga RL depende do tamanho do indutor na carga RL U2 Circuitos de comando e retificação 73 Em um retificador monofásico controlado de meia onda o ângulo α é de 25 e o valor de β é de 125 Calcule a tensão de saída média sabendo que a tensão de pico é de 5 V a 167 b 255 c 356 d 466 e 512 U2 Circuitos de comando e retificação 74 Diálogo aberto Conversores CACC retificadores trifásicos Na seção anterior você conheceu os retificadores monofásicos que operam apenas em uma fase fazendo com que a a corrente flua através de um único fio condutor Eles são usados em aplicações residenciais Para aplicações industriais que requerem alta potência são geralmente usados os retificadores trifásicos Vantagens como a maior eficiência e menor ruído no sinal CC do retificador tornam este o preferido em aplicações de média e alta potência Os retificadores trifásicos podem ser controlados quando em sua estrutura são utilizados dispositivos controláveis tais como tiristores e transistores e não controlados quando formados por diodos Além deles existem os retificadores semi controlados formados por três diodos e três tiristores A Figura 211 ilustra os circuitos de retificadores trifásico controlado em a semi controlado em b e não controlado em c Fonte elaborada pelo autor Figura 211 Circuito do retificador trifásico a controlado b semi controlado c não controlado Dentre os retificadores trifásicos dois tipos se destacam o de meia onda e o de onda completa Os retificadores de meia onda geralmente operam com transformador de derivação central o que pode encarecer o conversor elétrico Os retificadores de onda completa apresentam maior eficiência e menor ruído na tensão e na corrente de saída ripple Seção 22 U2 Circuitos de comando e retificação 75 Não pode faltar Retornando ao contexto o responsável técnico que conhecemos na seção anterior está alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Agora ele terá o desafio de desenvolver um sistema de energia eólica formado por um conversor CACC e um gerador síncrono como mostrado na Figura 212 a A grande questão do projeto é como operar um gerador síncrono em um sistema de turbina eólica de baixa velocidade cuja velocidade da pá do rotor é determinada apenas pela potência do vento A Figura 212 b ilustra a estrutura da turbina a Fonte elaborada pelo autor Figura 212 Esquema do sistema eólico em blocos funcionais em a e estrutura da turbina em b b Para auxiliálo nessa tarefa vamos discutir as estruturas e modos de operação dos retificadores trifásicos controlados não controlados e semi controlados Você conhecerá os parâmetros de desempenho dos retificadores que são importantes para a avaliação do mesmo Esta seção contempla o essencial dos retificadores e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Esperamos que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Os retificadores monofásicos como já discutimos são utilizados em aplicações de baixa potência especialmente em fontes de U2 Circuitos de comando e retificação 76 alimentação para circuitos eletrônicos Eles convertem sinal de corrente alternada em contínua para pequenas cargas que raramente ultrapassam 5 kW Para potências mais altas geralmente são empregadas fontes de corrente trifásica Os conversores monofásicos têm várias desvantagens como a eficiência reduzida devido à presença de componentes harmônicos o que gera a necessidade de utilizar filtros para se obter sinais de saída com menos ruído Por sua vez os conversores trifásicos proporcionam maior tensão média de saída Outra vantagem dos conversores trifásicos é que eles fornecem tensão e corrente com ruído cuja frequência é maior do que a frequência do ruído no conversor monofásico Assim os requisitos de filtragem para suavizar os sinais de corrente e tensão são mais simples no conversor trifásico Portanto muitas das desvantagens dos retificadores monofásicos são resolvidas com essa opção As estruturas dos retificadores trifásicos comuns possuem três ou seis dispositivos semicondutores tais como diodos ou tiristores Enquanto os retificadores não controlados são formados apenas por diodos os controlados são formados por tiristores Existem ainda os semi controlados formados por diodos e retificadores Assim como os monofásicos os trifásicos podem ser do tipo onda completa ou meia onda O conversor não controlado de meia onda é o mais simples de todas as topologias de retificadores trifásicos Ele é a combinação de três retificadores monofásicos não controlados de meia onda em um único circuito alimentando uma carga comum Assim eles são compostos por três diodos A substituição dos três diodos por três tiristores resulta em um retificador trifásico controlado de meia onda O diagrama do seu circuito é mostrado na Figura 213 a junto com as formas de onda alimentando uma carga RL Observe que assim como os diodos os tiristores T1 T2 e T3 operam sequencialmente como descrito na Tabela 22 Eles operam defasados de 120 em que o tiristor T1 inicia sua operação no período do ângulo de disparo α 30 Por exemplo se o ângulo de disparo do tiristor for de 30 graus até 30 graus da onda senoidal o tiristor não conduz corrente Assimile U2 Circuitos de comando e retificação 77 Após isso o tiristor conduz corrente até o ciclo completar e isso é repetido a cada ciclo Variando esse ângulo alfa α os valores RMS de tensão e corrente são alterados Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 226 2000a Figura 213 Retificador trifásico de meia onda controlado a circuito b forma de onda Tabela 22 Operação de retificador trifásico controlado de meia onda Tiristor Período do Disparo Operação T1 30 α T1 é ligado e a tensão de fase aparece na carga quando a corrente flui por este tiristor T2 150 α T1 é desligado A corrente de carga flui através do tiristor T2 até o tiristor T3 ser disparado T3 270 α T2 é desligado A corrente de carga flui através do tiristor T3 até o T1 ser novamente ligado Fonte elaborada pelo autor U2 Circuitos de comando e retificação 78 Assimile A Figura 213 a mostra o conversor trifásico de meia onda que combina três conversores de meia onda monofásicos em um único circuito alimentando uma carga comum O tiristor T1 em série com o enrolamento an atua como um retificador controlado de meia onda T2 e T3 também atuam como retificador controlado de meia onda Veja que quando T1 está conduzindo a tensão de fase Van aparece na carga A corrente de carga flui através do enrolamento an e através do tiristor T1 enquanto o T1 conduz Quando o tiristor T2 é acionado em ωt 150 α T1 tornase polarizado e desativado A corrente de carga flui através do tiristor e através do enrolamento bn Quando T2 conduz a tensão de fase Vbn aparece na carga até o tiristor T3 ser disparado Além do retificador de meia onda existe o retificador trifásico de onda completa que é provavelmente a topologia mais utilizada em aplicações de baixa potência 5 kW até alta potência 100 kW A estrutura do retificador trifásico não controlado é composta por seis diodos em ponte como mostrado na Figura 214 a Uma vez que a corrente de carga é assumida como contínua pelo menos um diodo do grupo superior D1 D3 e D5 e um diodo do grupo inferior D2 D4 e D6 devem conduzir Dois diodos da mesma perna de fase nunca conduzem simultaneamente e assim os pares de diodos D1 e D4 D2 e D5 D3 e D6 não operam juntos O conversor possui seis modos diferentes de condução de diodos e cada modo operando com defasagem de 60 Cada modo indica os pares de diodos que estão conduzindo Eles são nomeados de D1D2 D2D3 D3D4 D4D5 D5D6 e D6D1 e descritos na Tabela 23 O modo de condução D1D2 ocorre quando os diodos D1 e D2 conduzem e a tensão em todos os outros diodos é negativa Quando um diodo interrompe a condução a corrente é chaveada para outro diodo no mesmo grupo superior ou inferior A sequência de operação dos diodos é de D1 até D6 As formas de onda das tensões de linha em cada diodo tensão de saída e corrente de saída são mostradas na Figura 214 b U2 Circuitos de comando e retificação 79 Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 244 2000a Figura 214 Retificador trifásico de onda completa não controlado a circuito b forma de onda Fonte adaptado de AHMED Ashfaq p 229 2000a Tabela 23 Operação do retificador monofásico não controlado de onda completa Faixa do ângulo de disparo Diodos em condução 30 a 90 D6 e D1 90 a 150 D1 e D2 150 a 210 D2 e D3 210 a 270 D3 e D4 270 a 330 D4 e D5 330 a 360 e 0 a 30 D5 e D6 O retificador trifásico controlado é mostrado na Figura 215 O controle sobre a tensão de saída CC é obtido controlando o intervalo de condução de cada tiristor Este método é conhecido como controle de fase e os conversores também são chamados de conversores U2 Circuitos de comando e retificação 80 controlados por fase No controle da fase o tiristor é acionado em um determinado instante fazendo com que a carga esteja conectada à entrada por um intervalo de tempo Reflita Uma vez que os tiristores podem bloquear a tensão em ambos os sentidos é possível reverter a polaridade da tensão de saída e portanto obter um sinal alternado na entrada a partir de um sinal contínuo na saída do circuito Sob tal condição o conversor converte um sinal CC em um sinal CA e passa a operar em modo de inversão Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 275 2000a Figura 215 Retificador trifásico controlado de onda completa a circuito b forma de onda Para que qualquer corrente flua na carga pelo menos um dispositivo do grupo superior T1 T3 T5 e um do grupo inferior T2 T4 T6 devem estar conduzindo Como no caso de um conversor não controlado apenas um dispositivo desses dois grupos irá conduzir Da mesma forma cada tiristor conduz durante 120 do ciclo de entrada Os tiristores são disparados na sequência T1 T2 T3 T4 T5 U2 Circuitos de comando e retificação 81 Fonte ELECTRONICSTUTORIAL 2017 Tabela 24 Operação do retificador trifásico controlado de onda completa T6 T1 com intervalo de 60 entre cada disparo Portanto tiristores na mesma perna são disparados em um intervalo de 180 e portanto não podem conduzir simultaneamente Isso deixa apenas seis modos de condução possíveis para o conversor no modo de condução contínua Estes são T1T2 T2T3 T3T4 T4T5 T5T6 T6T1 Cada modo de condução tem duração de 60 e aparece na sequência mostrada na Tabela 24 Faixa do ângulo de disparo Tiristores em condução 30 a 90 T6 e T1 90 a 150 T1 e T2 150 a 210 T2 e T3 210 a 270 T3 e T4 270 a 330 T4 e T5 330 a 360 e 0 a 30 T5 e T6 Cada uma das tensões de linha pode ser associada ao disparo de um tiristor Por exemplo o tiristor T1 é disparado no final do intervalo de condução T5 T6 A forma de onda da Figura 215b mostra que todos os tiristores são disparados sequencialmente com intervalo de 60 entre cada um O conversor trifásico controlado é muito popular em aplicações industriais Ele pode operar com uma potência razoavelmente alta e possui distorção harmônica de entrada e saída aceitável No entanto a versatilidade de um conversor trifásico totalmente controlado é obtida ao custo de uma maior complexidade do circuito devido ao uso de seis tiristores e seu circuito de controle associado Uma forma de reduzir a complexidade é substituindo três tiristores do grupo superior ou do grupo inferior de um conversor totalmente controlado trifásico por três diodos O conversor resultante é chamado de conversor trifásico semi controlado Substituir três tiristores por três diodos reduz a complexidade do circuito mas ao mesmo tempo impede que a tensão negativa apareça na saída a qualquer momento Portanto o conversor não pode operar no modo inversor O conversor trifásico semi controlado tem várias vantagens em comparação a um conversor totalmente controlado Ele é menos U2 Circuitos de comando e retificação 82 complexo e tem capacidade de ampliar a condução contínua do conversor No entanto tem uma séria desvantagem a tensão de saída é periódica em mais de um terço do ciclo de entrada em vez de um sexto como é o caso com conversores totalmente controlados Isso implica que os componentes harmônicos de entrada e saída são de menor frequência e requerem filtragem mais eficiente Por este motivo os conversores trifásicos semi controlados não são tão populares quanto os controlados A Figura 216 a mostra o diagrama de circuito de um conversor trifásico semi controlado No modo de condução contínua apenas um tiristor do grupo superior e apenas um diodo do grupo inferior conduzem de cada vez No entanto ao contrário do conversor controlado ambos os dispositivos da mesma fase podem conduzir ao mesmo tempo Portanto existem nove modos de condução T1D2 T1D4 T1D6 T3D2 T3D4 T3D6 T5D2 T5D4 e T5D6 como mostrado na Figura 216 b Com T1 conduzindo podem existir três modos de condução nomeadamente T1D6 T1D2 e T1D4 A sequência de disparo do tiristor é T1 T3 T5 Portanto após T5 o tiristor T1 entra em condução Se o ângulo de disparo de T1 é α então T1 inicia a condução em ωt α p 3 e conduz até α p 3 Da mesma forma T3 e T5 conduzem durante ωt α p 3 até α p e ωt α p até 2p α p 3 respectivamente A sequência de condução dos diodos é dada por D2 D4 D6 A Tabela 25 resume a operação dos dispositivos quando T1 conduz Como T1 conduz no intervalo de α π ω α π 3 3 t o intervalo de condução T1D6 existe somente quando α π 3 Do mesmo modo o intervalo de condução T1D4 existe somente quando α π ³ 3 Figura 216 Retificador trifásico semi controlado a topologia b forma de onda U2 Circuitos de comando e retificação 83 Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 294 2000a Fonte adaptada de AHMED Ashfaq p 296 2000a Tabela 25 Modo de operação com tiristor T1 ligado em um retificador semi controlado Tabela 26 Parâmetros de desempenho dos retificadores Dispositivos ativos em T1 Intervalo de condução T1D2 0 180 wt T1D4 120 240 wt T1D6 240 360 wt Estudamos até aqui diversas estruturas de retificadores A avaliação do desempenho destes é feita considerandose diversos parâmetros tais como eficiência e fator de ondulação ripple Esses parâmetros são importantes na comparação entre as diversas estruturas A Tabela 26 descreve alguns parâmetros relevantes Parâmetro Conceito Eficiência da retificação η É a porcentagem da potência de entrada CA PCA que é convertida em potência de saída CC PCC h P P V I V I CC CA CC CC RMS RMS Fator de forma FF É a medida da forma da tensão na saída do retificador FF é dado pela razão da forma da tensão RMS FRMS e a forma da tensão média FMED da tensão de saída Se a tensão na saída for um sinal CC puro então FMEDFRMS e assim FF 1 FF F F RMS MED U2 Circuitos de comando e retificação 84 Fonte adaptada de UWI 2017a Fator de ondulação FO Representa o nível de ondulação CA no sinal de saída do conversor O fator de ondulação da tensão de saída é obtido pela razão entre tensão CA VAC e a tensão CC VCC dado por FO V V AC CC Taxa de distorção harmônica TDH Medida da distorção da forma de onda na saída do conversor Fator de potência na entrada FP Define o fator de potência no sinal de entrada do conversor Fator de crista FC Medida da forma de onda do sinal de saída CA Ele é obtido da razão da corrente de pico IP e o seu valor médio IRMS FO I I P RMS Exemplificando Com a finalidade de avaliar a melhor performance entre três tipos de retificadores obtevese como resultado a Tabela 27 Podese concluir que o retificador em ponte trifásico é o que apresenta melhor performance A maior eficiência 9983 fator forma próximo a 1 e o fator de ondulação ripple baixo são os parâmetros que corroboram para essa conclusão Fonte adaptada de UWI 2017a Tabela 27 Comparação entre parâmetros de performance de retificadores Parâmetros de performance Retificador monofásico de meia onda Retificador monofásico de onda completa Retificador trifásico em ponte Eficiência 405 81 9983 Fator de forma 157 111 10008 Fator de ondulação 121 482 4 Além dos retificadores com tiristores e diodos novas arquiteturas são desenvolvidas usando outros dispositivos como os transistores MOSFET e IGBT Dessa forma a eletrônica de potência aumenta o número de aplicações U2 Circuitos de comando e retificação 85 Sem medo de errar Pesquise mais Com a introdução de IGBT de alta potência o conversor trifásico de ponte foi substituído por conversores com IGBT na faixa de potência média a moderadamente alta No entanto em aplicações de alta potência ciclo conversores motores síncronos o conversor em ponte trifásico ainda é usado Para saber mais sobre retificador trifásico em ponte com IGBT você pode acessar o datasheet VUB12016NOX disponível em httpixappsixyscomdatasheetvub12016noxpdf Acesso em 18 de nov 2017 Retornando ao nosso contexto você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um sistema de energia alternativa À medida que a demanda por geração de energia limpa aumenta os projetos para geração de energia eólica tornaramse amplamente estudados A arquitetura do novo sistema projetado é formada por um gerador síncrono que se mostra mais adequado devido à alta eficiência e fácil manutenção dada a sua configuração de rotor sem escovas A Figura 217 a mostra que a máquina síncrona possui três bobinas de estator Uma fonte de tensão trifásica correspondente aos enrolamentos A B e C que são eletricamente separados em 120 é gerada nos enrolamentos do estator como mostra a Figura 217 b Fonte adaptada de ALTERNATIVE ENERGY TUTORIALS 2017a Figura 217 Gerador síncrono a representação da estrutura b forma de onda U2 Circuitos de comando e retificação 86 A grande questão do projeto é saber como operar um gerador síncrono em um sistema de turbina eólica de baixa velocidade cuja velocidade da pá do rotor é determinada apenas pela potência do vento A resposta está na retificação da fonte trifásica que gera em uma fonte CC constante Os retificadores são dispositivos eletrônicos usados para converter CA corrente alternada em CC corrente contínua Ao retificar a tensão de saída do gerador síncrono o gerador da turbina eólica pode operar em velocidade e frequência diferente da velocidade síncrona fixa convertendo essa tensão de saída de frequência variável amplitude variável do gerador para uma tensão CC de um nível variável Ao retificar a saída de CA para CC o gerador agora pode ser usado como parte de sistemas de carregamento de bateria ou como parte de um sistema de energia eólica de velocidade variável O tipo mais simples de circuito retificador usa um circuito com ponte de diodo Seu sinal CC é flutuante cuja amplitude é determinada pela velocidade de rotação dos geradores A Figura 218 mostra que no circuito retificador a saída trifásica do gerador é convertida em CC Fonteadaptada de ALTERNATIVE ENERGY TUTORIALS 2017a Figura 218 Diagrama do retificador trifásico conectado na saída do gerador síncrono O diagrama de circuito do retificador trifásico não controlado em ponte é mostrado na Figura 218 Nesta configuração a turbina eólica pode operar o gerador a uma frequência independente da frequência síncrona pois ao mudar a velocidade do gerador a frequência do mesmo também varia Portanto é possível variar a velocidade do gerador em uma faixa mais ampla e funcionar a uma velocidade ideal para obter a potência máxima dependendo da velocidade real do vento U2 Circuitos de comando e retificação 87 Avançando na prática Fonte elaborada pelo autor Figura 219 Sinal trifásico na entrada do retificador e o sinal retificado pulsante A tensão de saída do retificador em ponte trifásica não é CC pura como observado na Figura 219 A tensão de saída tem um nível de CC junto com uma grande variação de CA Esta forma de onda é geralmente conhecida como CC pulsante que pode ser usada para carregar baterias mas não pode ser usada como fonte de CC satisfatória Para remover ruído é usado um filtro ou circuito de suavização Esses circuitos de suavização usam combinações de capacitores e indutores para produzir uma tensão e corrente CC Avaliação da perda de uma fase de um retificador trifásico Descrição da situaçãoproblema Em um outro contexto você como responsável técnico foi investigar o problema em um sistema de retificação acoplado a um motor elétrico O retificador usado é trifásico e converte a tensão CA na saída de um motor síncrono em uma tensão CC para alimentar uma bateria O retificador é estruturado em ponte com seis tiristores operando Em certo momento uma das fases do retificador foi perdida devido a um defeito casual O que acontece quando a fase de um retificador trifásico é perdida Será que o retificador continua trabalhando em modo monofásico com corrente de fase senoidal U2 Circuitos de comando e retificação 88 Faça valer a pena Fonte elaborada pelo autor Figura 220 Retificador trifásico em ponte com uma das fases defeituosas Resolução da situaçãoproblema O retificador irá continuar funcionando dependendo da topologia do conversor e do controle No caso do retificador em ponte o sistema pode lidar com a perda Entretanto entenda que os controladores de tensão e corrente nem sempre são projetados para operar com a perda de uma fase de modo que a queda de uma fase leva ao aumento da amplitude da corrente Se a corrente estiver muito alta poderá degradar a bateria na saída do retificador Logo ainda que aparentemente opere sem mudanças visíveis na performance do sistema a queda de uma fase leva a um comportamento inesperado do sistema danificandoo 1 Os retificadores monofásicos são utilizados em aplicações de baixa potência especialmente em fontes de alimentação para circuitos eletrônicos Eles convertem sinal de corrente alternada em contínua a pequenas cargas raramente ultrapassando 5 kW Acima desse nível de potência as fontes de corrente trifásica geralmente são empregadas Com relação às opções a seguir quais descrevem as vantagens dos retificadores trifásicos em relação aos retificadores monofásicos a Possuem maior eficiência e menos ondulações na tensão de saída b Possuem maior fator de forma e menor fator de utilização do transformador c Possuem fator de ondulação menor e maior tensão de pico inversa d Possuem menos componentes em sua estrutura e maior taxa de distorção harmônica TDH e Possuem maior fator de forma e maior fator de potência U2 Circuitos de comando e retificação 89 2 As estruturas dos retificadores trifásicos comuns possuem três ou seis diodos ou tiristores Enquanto os não controlados são formados apenas por diodos os controlados são formados por tiristores Existem ainda os semi controlados compostos por diodos e tiristores Assim como os monofásicos os trifásicos podem retificar onda completa ou meia onda Com relação às opções a seguir qual indica o tipo de conversor CACC que gera uma tensão retificada como a mostra a figura a seguir a Retificador monofásico não controlado de onda completa b Retificador monofásico controlado de meia onda c Retificador monofásico controlado de onda completa d Retificador trifásico controlado de onda completa e Retificador trifásico não controlado de meia onda 3 A avaliação do desempenho dos retificadores é feita considerando diversos parâmetros tais como eficiência e fator de ondulação ripple Esses parâmetros são importantes na comparação entre as diversas estruturas Um parâmetro importante é a medida da forma da tensão na saída do retificador Este é dado pela razão da forma da tensão RMS FRMS e a forma da tensão média FMED da tensão de saída Se a tensão na saída for um sinal CC puro então FMEDFRMS e assim FF 1 Qual das opções abaixo indica o nome do parâmetro de desempenho dos retificadores correspondente à descrição acima a Eficiência b Taxa de distorção harmônica c Fator de forma d Fator de ondulação e Fator de crista Fonte elaborada pelo autor Figura 221 Sinal retificado U2 Circuitos de comando e retificação 90 Diálogo aberto Projeto de conversores CACC Nas seções anteriores você conheceu os retificadores monofásicos e trifásicos Enquanto os monofásicos são mais comuns em aplicações residenciais os trifásicos são usados na indústria Vantagens como a maior eficiência e menor ruído no sinal CC do retificador tornam o retificador trifásico o preferido em aplicações de média e alta potência Ainda que os retificadores trifásicos apresentem menor ripple o uso de um filtro ajuda a reduzir o ruído na tensão CC de saída Retornando ao contexto você é o responsável técnico que está alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Nos projetos anteriores você avaliou o retificador monofásico a ser utilizado em um sistema híbrido solar e estudou o uso do retificador trifásico no controle da velocidade do gerador síncrono Agora o desafio é projetar um filtro capacitivo de um sistema de energia alternativa formado por um retificador e um painel solar O filtro capacitivo é o mais comum Nele o capacitor deve ser projetado adequadamente pois quando este é superdimensionado distorções surgem no sinal de saída Além do capacitor os diodos requerem atenção quanto aos seus limites de operação No datasheet do diodo é especificado o limite de sua operação com relação à temperatura e corrente de condução O excesso de calor é um dos problemas comuns nos retificadores podendo fundir a estrutura do material o que resulta em sua falha Dessa forma o dispositivo deve operar em uma faixa de temperatura segura abaixo da máxima recomendada além de possuir dissipadores de calor em sua estrutura Para auxiliálo nessa tarefa vamos discutir as diferenças entre as topologias dos retificadores monofásicos e trifásicos Você conhecerá os desafios dos projetos de retificadores como a temperatura e a tensão de ondulação Sendo assim esta seção contempla o essencial sobre os retificadores incluindo a seleção da topologia as suas aplicações e o dimensionamento do filtro capacitivo Estes conteúdos podem ser enriquecidos com datasheets artigos e outros materiais técnicos Seção 23 U2 Circuitos de comando e retificação 91 Não pode faltar Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Esperamos que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho A aplicação primária dos retificadores é converter uma fonte de alimentação de corrente alternada CA em corrente contínua CC Eles estão presentes nas fontes de alimentação de praticamente todos os eletrônicos como telefones celulares e computadores cujos circuitos são alimentados por corrente contínua A corrente contínua é usada para carregar baterias que estão dentro de todos os dispositivos portáteis que carregamos Nas indústrias os retificadores possuem diversas aplicações como em sistemas de tração controle de motor e reator CC além de sistemas de transmissão como mostrado na Figura 221 Fonte elaborada pelo autor Figura 221 Aplicações industriais dos retificadores Muitas vezes o custo e a simplicidade do circuito são os fatores primordiais que favorecem o uso do retificador de meia onda RMO A maneira como isso é interpretado varia de fabricante a fabricante com base no valor dos componentes O que foi considerado caro há 30 anos pode valer a pena hoje e o design do circuito varia de acordo com isso O lado negativo do RMO é que o tamanho do filtro é duas vezes maior do que o de um retificador de onda completa ROC Isso porque a frequência de um circuito de meia onda é a mesma que a da alimentação de entrada enquanto que em um de onda completa a frequência é o dobro daquela de alimentação Portanto o capacitor do ROC pode ter uma menor capacitância Aplicações industriais dos retificadores Controle de motor CC Sistema de tração CACC Controle de reatores Sistema de transmissão CC de alta potência Carregamento de bateria U2 Circuitos de comando e retificação 92 Na avaliação de custo do retificador é importante saber que um capacitor maior do RMO pode ser mais caro que os quatro diodos em um ROC em ponte Com dois diodos em um RMO em ponte o custo aumenta devido à necessidade por exemplo de um transformador com derivação central Outro ponto negativo é a conversão menos eficiente obtida por um retificador de meia onda Muitas vezes os fabricantes não se preocupam com tais problemas em pequenos itens de consumo pois eles não são suficientemente negativos para que sejam considerados uma adversidade durante a vida útil do equipamento A conversão de corrente alternada para produzir corrente contínua gera sempre muito ruído Em equipamentos de entretenimento instrumentação e teste o nível de ruído é uma questão essencial Neles o ruído é uma das especificações mais importantes em que o parâmetro NF número de ruído determina a qualidade desse equipamento O retificador de onda completa gera menos ruído por causa da sua maior frequência de operação Assimile No áudio profissional o ruído da fonte de tensão é facilmente ouvido como zumbido no aparelho e o equipamento é rejeitado pelos engenheiros de som e transmissão Para reduzir o nível de ruído são utilizados retificadores de onda completa com capacitores eletrolíticos muito grandes Os retificadores de onda completa podem ser com transformador central ou em ponte Ambos têm suas próprias vantagens em termos de eficiência número de diodos usados etc Mas o retificador em ponte é amplamente utilizado pois os diodos são baratos contrapondo o maior custo dos transformadores com derivação central A Tabela 28 reúne algumas características dos retificadores Observe que o fator de ondulação do retificador de meia onda é de 121 valor superior aos 482 do fator de ondulação dos retificadores de onda completa Isso significa que a tensão na saída do retificador de meia onda possui componente CA com maior amplitude o que é uma desvantagem dessa topologia Idealmente a saída do retificador é um sinal contínuo sem ruído U2 Circuitos de comando e retificação 93 Assimile O ruído na tensão ou corrente é medido pelo fator de ondulação r Este é definido como a relação entre o valor efetivo RMS do componente CA presente na saída do retificador e o valor médio da tensão ou corrente de saída Usando os valores da corrente RMS IRMS e a corrente média ICC na saída do circuito o fator de ripple do retificador de meia onda é calculado por r I I I I RMS CC M M 2 2 1 2 1 p p 2 1 121 121 2 Da mesa forma usamos os valores referentes ao retificador de onda completa para calcular o seu fator de ondulação r I I I I RMS CC M M 2 2 1 2 2 p 1 8 1 0 482 48 2 p 2 Veja na Figura 222 que o tempo entre os picos é maior para um retificador de meia onda em a do que para um retificador de onda completa em b Esse tempo superior resulta em uma maior variação no sinal de saída do circuito de meia onda e assim este precisa de um capacitor de suavização maior O capacitor reduz essa queda de sinal entre os picos Fonte elaborada pelo autor Figura 222 Sinal na saída do retificador de a meia onda b onda completa Outro ponto interessante é a eficiência A eficiência de retificação mede quão eficientemente um circuito converte CA em CC Enquanto o retificador de onda completa em ponte possui uma eficiência de 812 o retificador com transformador com derivação central e o meia onda possui metade da eficiência equivalente a 406 U2 Circuitos de comando e retificação 94 Reflita Pesquise mais A potência de saída possui componentes CC e CA Assim um retificador com eficiência de 812 possui em sua potência de saída 812 de componente CC e 188 de componente CA A eficiência aqui apresentada não considera as perdas de potência como as dissipações térmicas nos transformadores e diodos Fonte adaptada de SCHOOLS AGLASEM 2017a Tabela 28 Aplicações industriais dos retificadores Retificador Meia onda Onda completa com transformador Onda completa em ponte Topologia Sinais de entrada VE e de saída VS Corrente RMS na saída I I RMS 0 2 I I RMS 0 2 I I RMS 0 2 Corrente CC na saída I I CC 0 p I I CC 2 0 p I I CC 2 0 p Fator de ripple r 121 r 48 2 r 48 2 Eficiência h 40 6 h 40 6 h 812 Uma variedade de retificadores em ponte está disponível listada com suas diferentes especificações Como avaliar os parâmetros dos retificadores Essa é uma das funções desempenhadas pelo técnico E uma das avaliações que deve realizar é como escolher as faixas de tensãocorrente do retificador Por exemplo você tem um projeto que opera em 12 V2 A e possui um retificador que é avaliado para 1000 V10 A O uso do retificador de 1000 V10 A seria problemático ao circuito U2 Circuitos de comando e retificação 95 Em um circuito integrado de um retificador em ponte os diodos excedem a tensão máxima requerida e a corrente necessária por uma margem justa No caso da tensão de saída de um transformador a tensão máxima requerida é 141 vezes a tensão nominal do transformador já que eles são classificados para tensão RMS não para tensão de pico Por segurança um valor cerca de 25 vezes a tensão nominal do transformador é comum Para cálculos de corrente também 25 vezes a corrente de carga esperada é recomendado pois a ponte deve suportar o aumento da corrente inicial quando os capacitores que seguem a ponte estão sendo carregados após a inicialização Assim com os valores de tensão e corrente definidos você deve selecionar os componentes do circuito conforme sua disponibilidade considerando a maior faixa de operação e o menor custo O retificador em ponte BR68 por exemplo suporta um nível de corrente e tensão superior ao do modelo BR36 e ainda assim pode ser encontrado pela metade do preço Além do circuito integrado um retificador em ponte pode ser construído usando componentes discretos Os componentes discretos compõem um único componente elétrico ou passivo resistor capacitor etc ou ativo transistor ou tiristor etc em vez de um circuito integrado que são construídos a partir de vários componentes elétricos em uma unidade A principal vantagem de usar componentes discretos é que a dissipação de calor é menos problemática uma vez que cada dispositivo possui seu próprio espaço circundante para dissipar o calor No datasheet do diodo você verá parâmetros como queda de tensão direta e resistência térmica Se você quiser selecionar corretamente um diodo você deve considerar a queda de tensão Então você irá multiplicar a tensão por corrente para obter a potência dissipada pelo diodo Quando você multiplica a potência pela resistência térmica você verá que quão mais alta a temperatura do diodo esta será comparada com a temperatura externa Este valor precisa ser inferior à temperatura máxima do diodo Para correntes mais elevadas você pode conectar o mesmo a um dissipador de calor para proporcionar maior dissipação de calor U2 Circuitos de comando e retificação 96 Exemplificando Vamos ver o que acontece quando usamos uma corrente de 4 A em um retificador e aplicamos a um diodo Para o exemplo é usado o diodo BYW29200 que tem corrente máxima de 8 A e tensão de 200 V Ao olhar para a Tabela 29 podemos ver que em 4 A a tensão direta será em torno de 07 V A potência dissipada pelo diodo será de 28 W A temperatura de junção máxima é de 175C Em seguida temos a resistência térmica da junção de 60C W Então se multiplicamos os 28 W por 60C W é obtida uma temperatura de junção de 168 C Como a temperatura máxima de junção é de 175C o retificador deve operar com uma temperatura ambiente máxima de apenas 7C Dessa forma o diodo precisa ser resfriado Então como podemos utilizálos Nesse caso são aplicados dissipadores de calor Para isso adicionaremos a resistência térmica do dissipador de calor Neste exemplo é usado um cuja resistência térmica é de 96 C W Para garantir bons contatos entre o dissipador de calor e o diodo também pode ser utilizada uma pasta térmica O valor da resistência térmica da pasta é de 3 C W e deve ser adicionada ao resto de resistências térmicas Portanto temos resistência térmica de 126 C W e potência de 28 W Isso nos dá um valor de 3528 C na temperatura da junção Para obter a temperatura máxima de operação vamos subtrair 3528 C da temperatura máxima de junção de 175 C Isso nos dá o máximo de temperatura ambiente de 13972 C o que dá uma margem de operação adequada Fonte adaptada de BYW29 2017a Tabela 29 Parâmetros do diodo BYW29 200 Parâmetro Valor Corrente máxima 8 A Tensão máxima 200 V Tensão direta 07 V Potência dissipada no diodo 28 W Temperatura de junção máxima 175 C Resistência térmica da junção 60 C W Quase todas as fontes de alimentação chaveadas e que fornecem vários quilowatts de potência de saída usam um retificador em ponte U2 Circuitos de comando e retificação 97 trifásico Tipicamente este compreende uma ponte de seis diodos e um filtro capacitivo Uma seleção adequada do capacitor é muito importante pois afeta o fator de potência a distorção harmônica de entrada e a tensão de ondulação de saída Um retificador em ponte monofásico padrão que opera com carga resistiva pura sem capacitor de filtro possui um fator de potência 100 ideal e zero THD Por sua vez o retificador em ponte trifásico com carga resistiva tem um fator de potência de 95 e THD de 30 Um capacitor de filtro de qualquer valor reduz ainda mais o fator de potência e aumenta o THD Infelizmente uma fonte de alimentação chaveada não pode funcionar sem um capacitor Ele é necessário para uma conversão de energia eficiente Pesquise mais Um padrão europeu muito rigoroso IEC 61000 3 12 para dispositivos trifásicos regulamenta que uma distorção harmônica total THD na corrente de entrada não superior a 48 com uma faixa de corrente de entrada de 16 A a 75 A RMS por fase Para os dispositivos de baixa potência até 16 A por fase o padrão ainda mais rigoroso IEC 61000 3 2 limita o nível de distorção de corrente de entrada em 338 Ou seja a forma de onda da tensão da linha da alimentação de entrada deve ser praticamente sem distorção É um pior cenário para o retificador trifásico em termos de distorção harmônica e fator de potência Os capacitores de saída participam da conversão de tensão Eles operam com uma alta corrente de descarga Essa corrente tem uma forma de onda e uma amplitude semelhantes ao valor da corrente na saída do circuito Portanto esses capacitores devem ser grandes o suficiente para evitar uma grande ondulação na tensão de saída Além disso eles devem suportar uma corrente de ondulação RMS muito alta Por outro lado um valor desnecessariamente grande resulta em baixo fator de potência A Figura 223 mostra uma fonte de alimentação CC de 12V usada para alimentar uma lâmpada LED usando uma tensão CA como entrada A tensão CA da rede de 220V é primeiro transformada para uma baixa tensão CA usando um transformador abaixador U2 Circuitos de comando e retificação 98 Fonte adaptada de CIRCUITS TODAY 2017a Figura 223 Circuito retificador de onda completa A baixa tensão CA do secundário é convertida em tensão CC pulsante usando um retificador em ponte A tensão CC pulsante assim obtida contém ruídos Para removêlos é necessário um filtro capacitivo que filtra as ondulações da tensão CC Um capacitor C4 é colocado paralelamente à saída de modo que o capacitor devido à sua impedância permite que os sinais de baixa frequência ou o sinal CC sejam filtrado Assim o capacitor atua como um filtro passabaixa A saída produzida a partir de um filtro capacitivo é uma tensão CC não regulada o que significa que a tensão diminui ou aumenta acima de um valor específico Para produzir uma tensão CC regulada é utilizado um regulador que desenvolve uma tensão CC constante O regulador de tensão usado é o circuito integrado CI 7812 como mostrado na Figura 223 O CI 7812 é um regulador de tensão de 12V que restringe a saída de tensão a esse valor Este requer uma tensão de entrada mínima para funcionar corretamente Enquanto a tensão de entrada for suficiente para manter a operação correta do regulador o regulador fornece uma tensão CC mais suavizada na qual a ondulação de entrada do retificador é reduzida A tensão no secundário do transformador VRMS é de 12 V mas essa é uma tensão de corrente nominal RMS A tensão de pico VPCAP é a que carrega o capacitor Assim se os enrolamentos secundários operarem a 12 V RMS fornecendo uma tensão de pico VPICO de cerca de 17 V V V V PICO RMS 2 2 12 17 26 Considerando a queda de tensão em cada diodo VD igual a 07 V a tensão de pico no capacitor VPCAP representada pelo o ponto 2 na Figura 223 é o valor da tensão na saída do transformador indicado pelo ponto 1 reduzido pela queda de tensão em dois diodos em série 2VD resultando em aproximadamente 156 V como equacionado em 27 VPCAP VPICO 2VD 17 207 156 V 27 Em cada ciclo o capacitor carrega a tensão de pico O capacitor deve ser grande o suficiente para que quando o regulador fornece a corrente entre os ciclos de carga a tensão não caia abaixo do mínimo especificado para esse regulador O valor do capacitor do filtro depende da corrente drenada pela carga da corrente do regulador da quantidade de ondulação aceitável na saída CC e da frequência da ondulação Podemos calcular a ondulação permitida ΔV em função da tensão de pico do capacitor VPCAP e da tensão de entrada mínima VMIN para o regulador operar Usando VPCAP 156 V e VMIN de 7 V obtido do datasheet do regulador resulta em ΔV VPCAP VMIN 156 7 86 V 28 A capacitância é dada em função da corrente no capacitor I da frequência do sinal de entrada f e da ondulação ΔV A corrente no capacitor é a soma da corrente no regulador e a corrente na carga Consideramos uma corrente I de 24 mA A frequência f na saída do retificador é de 120Hz o dobro da frequência no sinal de entrada Assim substituindo os valores obtemos a seguinte capacitância no filtro C I fΔV 24103 12086 2325 µF 29 Uma vez que a tensão de pico no secundário do transformador é de 17V a tensão de pico inversa PIV total da ponte é calculada em função do número de diodos NDIODOS dado por PIV NDIODOSVPICO 417 68 V 210 Lembrese de que PIV é a tensão máxima que pode ser aplicada ao diodo em sua condição de polarização inversa sem queimálo Diodos comerciais com PIV de 100V são recomendados Este método é uma boa aproximação O regulador após a saída do filtro pode suavizar ainda mais uma quantidade da ondulação Se a capacitância do filtro for reduzida para 10 µF seu regulador pode não ser capaz de lidar com a ondulação de tensão aumentada Se você aumentar o seu capacitor até 25 µF sua ondulação diminuirá ainda mais e seu design será melhor mas pode custar mais O retificador de potência BYW29200 é rápido e suporta uma tensão de 200 V e uma corrente de 8 A Logo este dispositivo é amplamente utilizado em fontes de alimentação chaveada Nos datasheets dos dispositivos estão disponíveis informações como os parâmetros de operação do retificador e as suas curvas características Para saber um pouco mais sobre ele acesse o link disponível em httpswwwonsemicompubCollateralBYW29DPDF Acesso em 03 de dez 2017 U2 Circuitos de comando e retificação 101 sinal Quando bem projetados estes não resultam em distorção de corrente interferência eletromagnética e ruído Fonte elaborada pelo autor Figura 224 Circuito retificador de onda completa Uma vez que o capacitor é geralmente usado na entrada de um regulador a carga é considerada resistiva e a corrente que o descarrega é constante Se alimentado pela linha CA assumindo a retificação de onda completa o capacitor deve fornecer corrente à carga por ½ ciclos 83 ms considerando a frequência de 60 Hz A carga Q Coulombs removida do capacitor é Q It em que I é a corrente e t é tempo Q também é dada por Q C V em que C é a capacitância e DV é a queda de tensão à medida que a corrente flui para carga Assim a capacitância é dada por Q C V It C It V 211 Para uma fonte de alimentação de 2 A 60 Hz onda completa onde você pode tolerar uma queda de 3V na tensão do capacitor do filtro sem que o regulador abandone a regulação temse que a capacitância é igual a 1 1 1 1 2 5500 120 3 It C It F V f V µ 212 Uma ondulação de 10 na tensão retificada pode ser suficiente dependendo da tensão requerida na carga A menos que seja uma carga puramente resistiva caso em que 10 é uma boa regra geral você precisa considerar a tensão de operação mínima da carga e calcular o tamanho do capacitor de acordo Para um transformador com baixa resistência e uma corrente de carga constante a regra geral é de 10000 µF A para 1V de ondulação e 5000 µF A para 2V de ondulação Quanto maior a tensão menor é o capacitor Como já sabemos o capacitor fornece um caminho de baixa resistência para componentes CC sinal de baixa frequência e de alta resistência para componentes de corrente alternada sinal de alta frequência A corrente elétrica flui através de um caminho de baixa resistência Então quando a corrente atinge o filtro os componentes CC experimentam uma alta resistência do capacitor e os componentes CA experimentam uma baixa resistência Então componentes CC encontram um caminho alternativo caminho de baixa resistência e circulam para o resistor de carga RL através desse caminho Por outro lado os componentes CA experimentam uma baixa resistência do capacitor e passam facilmente por ele Apenas uma pequena parte dos componentes CA passa pelo resistor de carga RL produzindo uma pequena tensão de ondulação na saída Portanto o capacitor calculado de 5500 µF é adequado para o projeto sendo este responsável por filtrar as componentes de alta frequência na carga Assim cumprimos o projeto do capacitor a ser usado na saída do retificador de onda completa U2 Circuitos de comando e retificação 103 Avançando na prática Avaliação do superaquecimento de um retificador em ponte Descrição da situaçãoproblema Você está avaliando o superaquecimento de retificador construído com diodos 1N4001 e um transformador com tensão CA de 120 V no primário e 13 V no secundário com corrente de operação de 3 A O retificador avaliado está aquecendo bastante o que prejudica a sua performance A sua estrutura está mostrada na Figura 226 Fonte adaptaa de ALL ABOUT CIRCUITS 2017a Figura 226 Retificador em ponte com uma das fases defeituosas Resolução da situaçãoproblema Ao olhar atentamente para o datasheet da família de diodos 1N400x você verá que eles são dispositivos que operam com corrente média direta de 1 A Uma corrente de 3 A fornecida pelo transformador é um valor bem alto para o diodo Uma boa prática seria limitar a operação dos diodos a uma corrente inferior a 80 da corrente máxima Nesse caso é recomendável que o diodo opere com uma corrente máxima de 800 mA Além do valor da corrente provavelmente houve a violação da faixa de energia As peças possuem uma faixa térmica FT de cerca de 87C W Ao colocar uma corrente ID de 3 A em uma queda de tensão direta VD de 093 volts queda de tensão típica para corrente de 1 A obtida no datasheet do dispositivo a potência PD dissipada por dispositivo é dada por P V I W D D D 0 93 3 2 79 Isso significa que para a faixa térmica de 87C W houve um aumento de temperatura DTD na junção do diodo de ΔTD PDFr 27987 24273 C Essa elevada temperatura resulta em um superaquecimento Assim dissipadores de potência devem ser considerados para aumentar a performance do circuito e o seu tempo de vida útil Faça valer a pena 1 Os retificadores de onda completa podem ser formados com transformador com derivação central ou retificadores em ponte Ambos têm suas próprias vantagens em termos de eficiência número de diodos usados etc Mas o retificador em ponte é amplamente utilizado porque os diodos são baratos contrapondo o maior custo dos transformadores com derivação central Com base na teoria dos retificadores trifásicos qual das alternativas a seguir descreve uma vantagem dos retificadores trifásicos em ponte em relação aos retificadores trifásicos com transformador com derivação central a Fornecem mais corrente RMS à carga b Fornecem mais corrente CC à carga c Produzem menor tensão de ondulação ripple na saída d Possuem o dobro da eficiência dependendo da resistência na carga e São mais caros 2 Em uma fonte de tensão com regulador como mostrado na Figura 223 o valor do capacitor de filtro depende da corrente no capacitor quantidade de ondulação aceitável na saída CC e da frequência da ondulação Podemos calcular a ondulação permitida ΔV em função da tensão de pico do capacitor VPCAP e da tensão de entrada mínima VMIN para o regulador operar Considerando que a tensão de ondulação permitida ΔV na saída CC é de 01 V a corrente no capacitor é de 100 mA e a frequência do sinal de entrada é de 60 Hz calcule o valor do capacitor a ser usado no filtro de um regulador de tensão formado por um retificador de onda completa a 1333 μF b 2533 μF c 5333 μF d 8333 μF e 15333 μF U2 Circuitos de comando e retificação 105 3 A conversão de corrente alternada para produzir corrente contínua gera sempre muito ruído Em equipamentos de entretenimento instrumentação e teste o nível de ruído é uma questão essencial Neles o ruído é uma das especificações mais importantes em que o parâmetro NF número de ruído determina a qualidade desse equipamento O retificador de onda completa gera menos ruído devido à sua maior frequência de operação No áudio profissional o ruído da fonte de tensão é facilmente ouvido como zumbido no aparelho e o equipamento é rejeitado pelos engenheiros de som e transmissão Qual das opções a seguir indica uma solução prática para redução de ruído de um sinal retificado a Inserção de capacitores eletrolíticos b Inserção de indutores c Aumento da resistência da carga d Eliminação dos capacitores de saída e Aumento da potência de alimentação AHMED Ashfaq Eletrônica de potência São Paulo PrenticeHall 2000 479 p ALLABOUTCIRCUITS Rectifier Circuits Disponível em httpswwwallaboutcircuits comtextbooksemiconductorschpt3rectifiercircuits Acesso em 20 dez 2017 ALTERNATIVEENERGYTUTORIALS Wind energy Disponível em httpwww alternativeenergytutorialscomwindenergysynchronousgeneratorhtml Acesso em 27 out 2017 CIRCUIT GLOBE Center tapped full wave rectifier Disponível em httpcircuitglobe comcentertappedfullwaverectifierhtml Acesso em 5 out 2017 ELECTRONICS COMUNICATION Power Supply Filter and Regulators Disponível em httpwww electronicsandcommunicationscom201304powersupplyfiltersand regulatorshtml Acesso em 13 nov 2017 HART Daniel W Eletrônica de potência análise e projetos de circuitos Porto Alegre Bookman 2012 xvi 478 p ISBN 9788580550450 PHOTOVOLTAIC CELL FUNDAMENTALS Photovoltaic cell fundamentals Disponível em httpslideplayercomslide10979431 Acesso em 5 out 2017 RADIO ELECTRONICS TBJ structure and fabrication Disponível em httpwww radioelectronicscominfodatasemicondbipolartransistorbjtstructurefabrication php Acesso em 16 out 2017 SCHOOLSAGLASEM Recitifers Disponível em httpsschoolsaglasemcom14734 Acesso em 6 nov 2017 UWI Power Electronics Disponível em httpwwwenguwittdeptselecstaffrdefour ee33ds33pbrhtml Acesso em 27 out 2017 Referências Unidade 3 Os conversores CCCC são essenciais para alterar a amplitude da corrente ou tensão contínua tornandoa maior ou menor Computadores laptops e celulares são alguns aparelhos eletrônicos que funcionam com tensão CC sendo os conversores CCCC essenciais no carregamento de suas baterias Esses conversores podem operar isolados estruturados com transformadores ou não isolados Ambos operam de forma nãolinear e o ciclo de trabalho de suas chaves define a amplitude de tensão de saída Antes do desenvolvimento de conversores chaveados os conversores lineares eram mais usados Estes possuem sérias limitações quanto ao aquecimento e baixa eficiência Outra desvantagem dos conversores lineares é que não podem ser usados para aumentar a tensão de saída função desempenhada pelos conversores chaveados de elevação de tensão Boost O conversor chaveado usado para reduzir a tensão é chamado de Bulk Alguns conversores possuem as duas funções de aumentar e diminuir o sinal tais como o BuckBoost Cuk Flyback Forward e PushPull Para pôr em prática todo este conhecimento você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Você deverá ser capaz de usar o conhecimento da eletrônica de potência para resolver os desafios que serão apresentados ao longo das seções Nesses desafios você apresentará soluções para problemas práticos da eletrônica de potência propondo e avaliando circuitos com conversores CCCC isolados e não isolados Convite ao estudo Conversores CCCC Diante desses desafios como você aplicará o conhecimento teórico aprendido ao longo da disciplina em projetos práticos de eletrônica de potência Como a teoria permitirá a você encontrar uma solução simples de baixo custo e robusta Essas são algumas questões que um técnico faz quando inicia um novo projeto Aluno nessa unidade você terá seções de conversores CCCC não isolados e isolados Estudará brevemente as suas classificações estruturas e modos de operação Por último serão estudados detalhes dos projetos de conversores CC CC Desejo a você bons estudos e que esteja bem animado em conhecer a eletrônica de potência U3 Conversores CCCC 109 Um conversor CCCC altera o nível de um sinal de tensão ou corrente contínua tornandoo maior ou menor Existem dois tipos de conversão contínua linear e chaveada Um conversor linear usa uma queda de tensão resistiva para criar e regular uma determinada tensão de saída Já um conversor chaveado armazena a energia de entrada periodicamente e depois a fornece para a saída resultando em uma tensão ou corrente com amplitude diferente A conversão ocorre de forma isolada ou não isolada Nessa seção estudaremos os conversores CCCC chaveados não isolados Os conversores isolados são construídos com transformadores o que os tornam menos sujeitos a interferências e ruídos O isolamento é de grande importância em aplicações sensíveis a ruído Os conversores chaveados são geralmente mais comuns baratos simples e mais eficientes que os lineares Eles são classificados em abaixador Buck quando a tensão de saída é menor do que a tensão de entrada e elevador Boost quando a tensão de entrada é menor do que a tensão de saída Alguns conversores como o BuckBoost e o Cuk possuem ambas as funções de elevar e abaixar a tensão Retornando a situação problema lembrese que o responsável técnico que conhecemos na seção anterior está alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto para controlar a velocidade de um motor CC usando um conversor CCCC A técnica mais utilizada para o controle da velocidade de motor é o uso da modulação por largura de pulso PWM Pulse Width Modulation Na modulação com PWM é possível controlar a potência ou a velocidade através da largura do pulso de uma onda quadrada As questões do projeto é saber qual topologia de conversor usar e então calcular o ciclo de trabalho no ponto de operação cujo valor define a amplitude da tensão na saída Seção 31 Diálogo aberto Conversores CCCC não isolados U3 Conversores CCCC 110 Para auxiliar nessa tarefa vamos discutir as estruturas e a operação dos conversores CCCC não isolados Buck Boost Buck Boost e Cuk Vamos estudar as características e aplicações de cada estrutura Essa seção contempla o essencial desses circuitos e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Espero que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Não pode faltar Conversores CCCC são circuitos eletrônicos que transformam uma tensão ou corrente contínua que tem uma amplitude em uma tensão ou corrente contínua com amplitude diferente Como os dispositivos eletrônicos operam em uma faixa de tensão muita tensão pode destruir o dispositivo ou uma menor pode não ser capaz de executar o dispositivo Conversores CCCC são amplamente utilizados para produzir eficientemente uma tensão regulada a ser usada na maioria dos aparelhos em que é necessária uma tensão constante Assim ele retira energia de uma fonte contínua e reduz ou aumenta o nível de tensão As células solares as baterias e os termopares são exemplos de fontes CC Como vimos na unidade anterior uma fonte de alimentação CA é convertida em CC usando um circuito que consiste em um retificador e um filtro Da mesma forma uma tensão contínua é amplificada ou reduzida para a tensão desejada usando conversores CCCC Sendo assim é possível converter a tensão de uma bateria de 24V a 12V para acionar um motor CC Existem dois tipos de conversores CCCC linear e chaveado Um conversor CCCC linear usa uma queda de tensão resistiva para criar e regular uma determinada tensão de saída Assim ele dissipa potência em forma de calor Figura 31 mostra um exemplo de um conversor linear abaixador com um resistor e um diodo zener formando um divisor de tensão O conversor linear é capaz de reduzir um nível CC porém este desperdiça muita potência Qualquer queda de tensão no resistor é dissipada como calor U3 Conversores CCCC 111 e qualquer corrente que flui através do diodo zener também é dissipada Ambos os elementos resultam na perda de potência Fonte elaborada pelo autor Figura 31 Topologia fundamental do conversor CCCC linear A conversão CCCC chaveada é mais eficiente Seus componentes passivos são menores o que reduz as perdas por calor e simplificam o gerenciamento térmico Outra vantagem dos conversores chaveados é que a tensão de saída pode ser menor ou maior do que a tensão na entrada Nos conversores lineares a tensão na saída é sempre menor que a tensão na entrada Reflita Embora existam muitas vantagens também há algumas desvantagens com conversores CCCC chaveados Eles são barulhentos em comparação com um circuito linear e precisam de um circuito de controle para gerenciar a transferência de potência para a carga U3 Conversores CCCC 112 Felizmente os modernos chips de controle do chaveamento facilitam a tarefa de controle Com o avanço da tecnologia dos circuitos integrados como os conversores chaveados têm se beneficiado e tornado ainda mais atraente que os lineares Um conversor chaveado armazena a tensão de entrada periodicamente e depois a fornece para a saída em uma amplitude diferente O armazenamento pode ser em um componente de campo magnético como um indutor ou um transformador ou em um componente de campo elétrico como um capacitor Os conversores isolados possuem transformadores são menos complexos e fornecem isolamento entre a entrada e a saída reduzindo a emissão de ruído da entrada para saída As unidades isoladas possuem forte capacidade de bloqueio de ruído e interferência proporcionando assim à carga uma fonte CC limpa que alimenta cargas sensíveis Aplicações típicas dos conversores CCCC isolados são em sistemas de comunicação entretenimento e navegação Já os conversores CCCC não isolados são geralmente mais comuns menores de custo mais baixo e mais eficientes possuindo um rendimento em torno de 90 Eles têm uma grande desvantagem na conexão elétrica entre a entrada e a saída que oferece pouca ou nenhuma proteção à carga para tensão elétrica elevada que ocorre no lado de entrada Eles também filtram menos ruído Os conversores não isolados são geralmente usados quando a mudança na tensão é pequena As aplicações típicas são em equipamentos que não requerem a supressão de ruído Os conversores isolados são mais seguros já que o isolamento evita que a tensão na entrada seja transmitida para a saída em caso de falha interna Os transientes de tensão na entrada não são transmitidos para a saída Esses conversores possuem isolamento dielétrico completo Pesquise mais U3 Conversores CCCC 113 sem contato elétrico entre os circuitos de entrada e saída por meio de um transformador de alta frequência Nessa seção estudaremos os conversores CCCC não isolados Eles são classificados em abaixador Bulk quando tensão de saída é menor e elevador Boost quando a tensão na saída é maior que a de entrada Eles podem apresentar ambas funções de abaixar e aumentar a tensão casos dos conversores BuckBoost e Cuk Os conversores isolados são classificados em Flyback Forward e PushPull meiaponte e ponte completa e serão estudados na seção seguinte Figura 32 resume as classificações dos conversores isolados e não isolados Fonte elaborada pelo autor Figura 32 Classificação dos conversores CCCC Um conversor Buck abaixa o nível de tensão produzindo uma tensão menor do que a tensão de entrada Este poderia ser usado por exemplo para carregar uma bateria de lítio de 42 V a partir de uma fonte USB de 5 V Em um conversor típico Buck a tensão de saída VS depende da tensão de entrada VE e do ciclo de chaveamento D da chave de potência dado pela equação S E V D V 31 A Figura 33 mostra a topologia fundamental do conversor Buck Eles são aplicados em caminhões ônibus sistemas de iluminação e sistemas de som AM FM U3 Conversores CCCC 114 Fonte elaborada pelo autor Figura 33 Topologia fundamental do conversor CCCC Buck A Figura 34 ilustra o modo de operação do conversor Buck Quando o interruptor no regulador está ligado como mostra a Figura 34a a tensão que aparece no indutor é VEVS Usando as equações do indutor a corrente no indutor aumentará a uma taxa de VEVS L Neste momento o diodo Z está reversamente polarizado e não conduz Quando o interruptor abre como na Figura 34b a corrente ainda flui à medida que o indutor trabalha para manter a mesma corrente fluindo Como resultado a corrente ainda flui no indutor e na carga O diodo Z então forma o caminho de retorno com a corrente no diodo IDIODO igual a corrente na carga IS e fluindo através dele Com o interruptor aberto a polaridade da tensão através do indutor reverte e portanto a corrente através do indutor diminui Veja que há um capacitor de suavização colocado na saída do circuito na Figura 34 Ele garante a continuidade da tensão especialmente durante a transição do chaveamento U3 Conversores CCCC 115 Fonte elaborada pelo autor Figura 34 Modos de operação do conversor Buck com o interruptor a fechado b aberto O circuito conversor do Buck pode ser explicado adicionalmente examinando as formas de onda da corrente em diferentes momentos mostradas na Figura 35 U3 Conversores CCCC 116 Fonte elaborada pelo autor Figura 35 Formas de onda do conversor CCCC Buck No diagrama das formas de onda para o conversor podese ver que a corrente do indutor IL é a soma das correntes do diodo IDIODO e da entrada IE A corrente flui através do interruptor ou do diodo Vale a pena notar que a corrente média de entrada IEM é menor do que a corrente média de saída ISM Isto é esperado porque o circuito do Buck é muito eficiente e a tensão de entrada VEM é maior do que a tensão de saída VSM U3 Conversores CCCC 117 O valor de IEM é menor do que o valor de ISM Supondo um circuito ideal em que a potência de entrada é igual a de saída temos a relação VEM IEM VSM ISM Deste modo para VSM VEM temse que ISM IEM Em um circuito real haverá algumas perdas e a eficiência da conversão é inferior a 100 Ainda assim níveis de eficiência superiores a 85 são esperados para um circuito bem projetado Um conversor Boost eleva a tensão de uma fonte contínua e pode ser usado por exemplo para alimentar vários LED em série usando uma bateria de lítio ou fornecer uma tensão saída de 5 V para alimentar um motor CC a partir de uma bateria de 3 V Semelhante ao conversor Buck o conversor Boost fundamental usa os mesmos componentes passivos mas dispostos para aumentar a tensão de entrada A tensão de saída VS depende da tensão de entrada VE e do ciclo de chaveamento D da chave de potência resultando na Equação 32 1 E S V V D 32 A Figura 36 ilustra a topologia fundamental do conversor elevador Eles são aplicados em amplificadores de potência sistemas de comunicação e controle adaptativo Fonte elaborada pelo autor Figura 36 Topologia fundamental do conversor CCCC Boost Assimile U3 Conversores CCCC 118 Assim como o Buck o conversor Boost opera variando o tempo em que o indutor recebe energia da fonte Normalmente o tempo em que o interruptor permanece ligado é controlado por um modulador de largura de pulso PWM A Figura 37 mostra o modo de operação do conversor Boost Quando o interruptor está na posição ligada Figura 37 a a saída do indutor é conectada ao terra e a tensão VE é aplicada sobre ele A corrente do indutor então aumenta Quando o interruptor é desligado Figura 37 b a tensão através do indutor muda e é igual a VSVE A corrente que estava fluindo no indutor decai a uma taxa igual a VSVE L Fonte elaborada pelo autor Figura 37 Modos de operação do conversor Boost com o interruptor a fechado e b aberto A operação do conversor Boost pode ser entendida por meio das formas de onda da corrente em diferentes partes do circuito mostradas na Figura 38 Veja a partir dos diagramas que a corrente de entrada IE para o conversor elevador é maior do que a corrente de saída IS Supondo um conversor perfeitamente eficiente ou seja sem perdas a potência de saída deve ser igual à potência de entrada ou seja VEIE VSIS Deste modo se VSVE temse que ISIE Assim a tensão maior na saída do conversor Buck é garantida com uma corrente de entrada maior do que a corrente de saída Ainda que o conversor elevador tenha perdas níveis de eficiência acima de 85 são alcançáveis na maioria dos conversores U3 Conversores CCCC 119 Fonte elaborada pelo autor Figura 38 Formas de onda do conversor CCCC Boost Um conversor BuckBoost pode elevar ou abaixar a tensão de saída produzindo uma tensão superior ou inferior à tensão de entrada Um circuito CCCC típico BuckBoost permite que a tensão de entrada VE seja aumentada ou diminuída dependendo do ciclo de trabalho D A tensão de saída VS é dada por 1 E S D V V D 33 A sua estrutura é mostrada na Figura 39 Quando a chave está fechada Figura 39 a a energia é transferida da fonte de tensão para o restante do circuito Devido à polarização inversa do diodo Z a corrente flui somente no indutor L armazenando energia Quando a chave abre Figura 39 b a energia armazenada no indutor faz com que o diodo Z conduza entregando tensão ao capacitor C que por estar em paralelo com a carga finalmente entregará a tensão na saída Como a corrente na saída está em sentido contrário ao da entrada a tensão na saída possui polaridade oposta a tensão de entrada U3 Conversores CCCC 120 Fonte elaborada pelo autor Figura 39 Operação do conversor BuckBoost com o interruptor a fechado b aberto Exemplificando Dois motores CC precisam ser alimentados com tensão contínua um com 10 V e o outro com 5 V Uma bateria que fornece 75 V de tensão contínua é usada para alimentar os motores Para ajustar a amplitude da tensão da bateria é usado um conversor BuckBoost Dessa forma o conversor aumenta ou diminui a tensão a ser usada pelos motores de acordo com o ciclo de trabalho da chave de potência Com a Equação 33 são calculados os dois valores de ciclo de trabalho D para a adequar a tensão na saída Assim para obter uma tensão de saída VS de 5 V a partir da tensão de entrada VE de 75 V temse que U3 Conversores CCCC 121 1 1 75 5 06 E S D V D V D D D 34 Para o motor de 10 V temse que 1 1 75 10 042 E S D V D V D D D 35 Como sabemos o ciclo de trabalho é o tempo proporcional em que a chave permanecerá fechada Um ciclo de trabalho igual a 1 indica que a chave está fechada 100 do tempo Logo é necessário manter a chave 60 do tempo fechada no conversor BuckBoost da Figura 39 para obter a tensão de 5 V Para obter tensão de 10 V a chave deve ser mantida fechada em torno de 42 do ciclo de trabalho O controle do tempo de operação das chaves é geralmente feito por um circuito PWM Um conversor Cuk apresenta a mesma função do BuckBoost de elevar e abaixar a tensão de entrada A diferença está na estrutura do conversor Cuk que apresenta um indutor e um capacitor extras formando um filtro LC Essa estrutura dá vantagem ao conversor Cuk permitindo o fornecimento contínuo da corrente de entrada A Figura 310 mostra a topologia do Cuk U3 Conversores CCCC 122 Acesse o seguinte endereço e conheça o datasheet de um regulador de tensão que opera como um conversor Buck LM2596 um dispositivo amplamente utilizado A série LM2596 são circuitos integrados capazes de conduzir uma carga de 3 A com excelente regulação de linha e carga Estes dispositivos estão disponíveis em tensões de saída fixas de 33 V 5 V 12 V e uma versão de saída ajustável No datasheet estão disponíveis informações como os parâmetros de operação do conversor e as suas curvas características TI LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150kHz 3A StepDown Voltage Regulator nov 1999 httpsgooglN4w2i1 Acesso em 13 nov 2017 Pesquise mais Sem medo de errar Retornando à situaçãoproblema lembrese que você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto para controlar a velocidade de um motor CC usando um conversor CCCC Fonte elaborada pelo autor Figura 310 Topologia fundamental do conversor Cuk U3 Conversores CCCC 123 A técnica mais utilizada para o controle da velocidade de motor é o uso da modulação por largura de pulso PWM O PWM envolve a aplicação de pulsos de largura variável para controlar a amplitude da tensão aplicada ao motor Este método é muito eficiente uma vez que a perda de energia é bem reduzida e não envolve o uso de qualquer equipamento complexo A Figura 311 mostra o sinal de saída do PWM para ciclos de trabalho D de 10 50 e 90 Fonte elaborada pelo autor Figura 311 Sinal do PWM para ciclo de trabalho de 10 50 e 90 A velocidade do motor em rotações por minuto RPM é dada em função da tensão aplicada neste como mostrado na Figura 312 Dessa curva podemos ver que uma tensão de 8 V leva a uma velocidade de 700 RPM U3 Conversores CCCC 124 Fonte elaborada pelo autor Figura 312 Curva da velocidade do motor CC em função da tensão de controle No projeto você deve controlar a velocidade de motor para que opere numa faixa de 350 a 700 RPM Essa velocidade equivale a tensão de controle de 35 a 7 V A primeira questão é qual topologia de conversor CCCC escolher a ser usada no controle do motor CC sabendo que uma fonte de tensão contínua de 10 V está disponível A segunda questão é saber como o PWM é usado junto ao conversor para controlar a velocidade do motor CC na faixa de velocidade de 350 a 700 RPM Como a tensão da fonte 10 V é superior à maior tensão de controle do motor 7 V a topologia usada é a do Buck A Figura 313 mostra a topologia do conversor Buck que abaixa o nível de tensão produzindo uma tensão menor do que a tensão de entrada A chave usada é um transistor MOSFET controlado pela tensão de um PWM Em um conversor típico Buck a tensão de saída VS depende da tensão de entrada VE e do ciclo de chaveamento D da chave de potência dado pela equação S E V D V 36 U3 Conversores CCCC 125 Logo devese calcular o ciclo de trabalho D de modo que a tensão seja convertida de 10 V para 7 V e de 10 V para 35 V Logo para se obter uma tensão de saída VS no conversor Buck de 7 V temse 7 10 07 70 S E V D V D D D 37 Da mesma forma para se obter uma tensão de saída de 35 V temse 35 10 035 35 S E V D V D D D 38 Logo o circuito PWM deve fornecer um sinal cujo ciclo de trabalho varie na faixa de 35 a 70 Assim o MOSFET deve estar ativo entre 35 e 70 do tempo de operação do conversor Fonte elaborada pelo autor Figura 313 Topologia do conversor Buck com controle PWM Portanto o conversor Buck é o escolhido Sua topologia é simples e controlada por um PWM A chave de potência opera em um ciclo de trabalho de 35 a 70 o que permite que o motor opere na faixa de velocidade de 350 a 700 RPM U3 Conversores CCCC 126 Avançando na prática Uso do conversor CC para acionamento Descrição da situaçãoproblema Você está planejando alimentar alguns LED de alta potência usados em um sistema de balizamento de aeronaves em um aeroporto Os LED são alimentados por um conversor elevador Boost Um microcontrolador é usado para controlar o ciclo de trabalho da chave de potência A fonte de alimentação VE é de 2 V a ser usada para alimentar com a tensão de 3V para LED vermelho 4 V para LED verde e 35 V para LED azul Qual conversor e ciclo de trabalho de operação você deve considerar para essa aplicação Resolução da situaçãoproblema Fonte elaborada pelo autor Figura 314 Topologia do conversor Boost com três tipos de LED na saída U3 Conversores CCCC 127 Como a tensão da fonte 2V é inferior a tensão de alimentação dos LED 3 V 35 V e 4 V é necessário um conversor CC elevador Um conversor Boost eleva a tensão de uma fonte contínua Ele pode ser usado para alimentar vários LED em série usando uma bateria de lítio A Figura 314 mostra o conversor Boost e os LED na saída A tensão de saída VS depende da tensão de entrada VE e do ciclo de chaveamento D da chave de potência obtido pelo controlador resultando na equação 1 E S V V D 39 Logo devese calcular o ciclo de trabalho D de modo que a tensão seja convertida de 2 V para 3 V para 35 V para 40 V Para se obter uma tensão de saída VS no conversor Boost de 3 V temse 2 1 3 3 3 2 333 1 1 3 E S V V D D D D 310 Para se obter uma tensão de saída VS no conversor Boost de 35 V temse 2 15 35 35 35 2 428 1 1 35 E S V V D D D D 311 Para se obter uma tensão de saída VS no conversor Boost de 4 V temse 2 2 4 4 4 2 50 1 1 4 E S V V D D D D 312 Portanto a topologia Boost possui um controlador que mantem um sinal periódico com ciclo de trabalho de 333 para acender o LED vermelho 428 para acender o LED azul e 50 para o LED verde U3 Conversores CCCC 128 Faça valer a pena 1 Conversores CCCC são circuitos eletrônicos que transformam uma tensão ou corrente contínua que tem uma amplitude em uma tensão ou corrente contínua com amplitude diferente Existem dois tipos de conversores CCCC linear e chaveado Com relação às opções abaixo quais descrevem as vantagens dos conversores CCCC chaveados em relação aos conversores CCCC lineares a Possuem maior eficiência e a tensão de saída pode ser maior que a de entrada b Não possuem transformadores e possuem menor fator de utilização do transformador c Possuem fator de ripple menor e maior tensão de pico inversa d Possuem menos componentes em sua estrutura e maior taxa de harmônicos e Possuem fator de ripple menor e maior fator de potência 2 Um conversor chaveado armazena a tensão de entrada periodicamente e depois a fornece para a saída em uma amplitude diferente O armazenamento pode ser em um componente de campo magnético como um indutor ou um transformador ou em um componente de campo elétrico como um capacitor O conversor pode ser isolado por um transformador ou nãoisolado Com relação às opções abaixo qual descreve uma vantagem dos conversores CCCC isolados em relação aos conversores CCCC não isolados a Possuem forte bloqueio de ruído e de interferência b São menores c São mais baratos d São mais eficientes e São mais comuns U3 Conversores CCCC 129 3 Um conversor Boost eleva uma tensão contínua produzindo uma tensão superior à tensão de entrada Ele pode ser usado para alimentar vários LED em série usando uma bateria de lítio ou transformar uma tensão contínua de 3 V para alimentar um motor CC de 5 V Considerando uma fonte de tensão CC disponível de 5 V a ser usada para alimentar um motor CC com 55 V Qual o valor do ciclo de trabalho necessário na conversão a 10 b 91 c 8 d 71 e 65 U3 Conversores CCCC 130 Estudamos na seção anterior os conversores CCCC não isolados Eles não são os mais adequados para aplicações que requerem supressão de ruído e interferência como nas aplicações em instrumentação médica Nessas aplicações são usados os conversores isolados cujo isolamento é feito por transformadores As topologias de conversores isolados estudadas nessa seção são Flyback Forward PushPull meia ponte e ponte completa Nos conversores isolados a energia é periodicamente armazenada no enrolamento primário do transformador e liberada periodicamente ao enrolamento secundário e à carga tipicamente dentro de uma faixa de frequência de 300 kHz a 10 MHz Ao ajustar o ciclo de trabalho da tensão na chave ou seja a relação dos tempos em que a chave fica ligada e desligada a quantidade de energia transferida para uma carga pode ser mais facilmente controlada Assim a tensão na saída do retificador é função do ciclo de operação da chave de potência Essa tensão também é função da relação entre o número de enrolamentos no primário e secundário do transformador Você como responsável técnico faz parte agora da equipe de projetos de circuitos eletrônicos e terá o desafio de avaliar transformadores a ser usado no conversor CCCC isolado O transformador é uma parte essencial nesses circuitos e o número de espiras nos enrolamentos primário e secundário determina a tensão na saída em cada topologia Assim é necessário avaliar o os enrolamentos para selecionar o transformador adequado em cada aplicação Para te auxiliar nessa tarefa vamos discutir as estruturas e a operação dos conversores CC isolados Flyback Forward Push Pull meia ponte e ponte completa Vamos estudar as características modo de operação e aplicações de cada topologia Essa seção contempla o essencial dos conversores CC isolados e pode ser Seção 32 Diálogo aberto Conversores CCCC isolados U3 Conversores CCCC 131 enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Espero que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Não pode faltar Os conversores CCCC isolados possuem uma tensão de isolamento alta de centenas de Volts o que garante a sua capacidade de bloquear ruído e interferência Assim eles fornecem a carga uma tensão ou corrente contínua mais limpa que é requerida por muitas cargas sensíveis A eficiência é um parâmetro importante na seleção de um conversor Em um conversor ideal a eficiência é de 100 pois a potência fornecida pela fonte é entregue integralmente na saída do conversor Na prática os conversores perdem potência sendo comum conversores com eficiência de 85 Outra característica importante na seleção de um conversor CCCC é a capacidade de bloquear ruído e interferência Será que o uso de um conversor de alta eficiência ou com isolamento ao ruído é essencial em todas as aplicações de uso comercial ou industrial Os conversores CCCC isolados possuem topologia Flyback Forward PushPull Meia ponte e Ponte completa Eles são classificados em terminação única unidirecionais e terminação dupla bidirecionais como mostrado na Figura 315 A maioria dos conversores CCCC são unidirecionais e transferem energia em apenas uma direção da entrada para saída Já os conversores bidirecionais são capazes de transferir potência da entrada para saída e também o sentido oposto Um conversor bidirecional é útil em aplicações com bateria de backup onde a energia é fornecida à bateria para carregála e quando ocorrer uma situação de falta de energia a bateria pode devolver potência à fonte por exemplo Reflita U3 Conversores CCCC 132 A maioria dos dispositivos de conversão de energia possui uma aplicação unidirecional No entanto aplicações como acionamentos de motores sistemas de energia alternativo telecomunicações tecnologia espacial automotivos híbridos carregadores de bateria etc exigem o uso de um sistema de conversão bidirecional Fonte elaborada pelo autor Figura 315 Classificação dos conversores CCCC isolados Pesquise mais A topologia Flyback mostrada na Figura 316 é similar à do conversor BuckBoost com um transformador substituindo o indutor de armazenamento O transformador não só fornece isolamento mas ao variar o número de suas espiras a tensão de saída pode ser ajustada O Flyback é o mais simples e mais comum dos conversores isolados para aplicações em baixa potência Como este gera correntes de pico muito altas a topologia não é recomendada para corrente de saída acima de 10 A Uma vantagem da topologia Flyback sobre as outras topologias isoladas é que muitas delas requerem um indutor de armazenamento separado Uma vez que o transformador do Flyback opera igual ao indutor de armazenamento não é necessário um indutor extra Isso juntamente com o fato de que o circuito é simples torna a topologia Flyback econômica e popular U3 Conversores CCCC 133 Fonte elaborada pelo autor Figura 316 Topologia fundamental do conversor CCCC Flyback Quando o interruptor T está fechado a tensão de alimentação E V está conectada através do enrolamento primário do transformador que atua como um indutor de armazenamento e o diodo D de saída não conduz A corrente TI aumenta linearmente acumulando energia no transformador até que o interruptor T seja aberto Quando isso acontece a tensão no transformador é convertida do primário para o secundário e a energia armazenada é transferida para o capacitor de saída C e carga L R Portanto a energia é armazenada no enrolamento primário do transformador quando o interruptor T está fechado e transferida para a saída secundária quando T está aberto Considerando que P S n N N é a razão de espiras no primário NP e no secundário NS do transformador VE a tensão de entrada e d o ciclo de trabalho do interruptor a tensão na saída S V do conversor Flyback é dada por 1 E S V d V n d 313 Observe que uma variação no ciclo de trabalho do interruptor altera a quantidade de energia armazenada no transformador durante cada ciclo Isso permite que a tensão de saída do conversor seja alterada e controlada U3 Conversores CCCC 134 Uma desvantagem deste tipo de conversor é que os capacitores de saída estão sujeitos a ondulações elevadas devido às altas correntes de pico geradas nas chaves Dessa forma é necessário ter cuidado para que as ondulações estejam especificadas corretamente e assim garantir que a confiabilidade e a vida útil não sejam comprometidas Fonte elaborada pelo autor Figura 317 Formas de onda do Flyback nos modos a contínuo e b descontínuo Pesquise mais O conversor Flyback tem dois modos de operação dependendo se a indutância primária do transformador está completamente desmagnetizada ou não No modo contínuo a corrente sempre flui continuamente pelo interruptor TI ou pelo diodo ID No modo descontínuo a corrente no diodo ID e no interruptor TI atingem zero antes do final do período de chaveamento quando o interruptor está desligado resultando em uma descontinuidade Neste momento o capacitor alimenta a carga mantendo o valor da corrente na saída SI As formas de onda do Flyback nos dois modos estão mostradas na Figura 317 A Tabela 31 apresenta as características de cada modo U3 Conversores CCCC 135 Fonte adaptada de NptelPower Supply 2017 Tabela 31 Características do Flyback modo contínuo e descontinuo Modo contínuo Modo descontínuo Corrente de pico no retificador e na chave é metade daquela no modo descontínuo Malha de realimentação fácil de estabilizar Tensão de ripple baixa de modo que a capacitância na saída do modo contínuo é metade daquela no modo descontínuo Perdas zero no chaveamento do interruptor apresentando boa resposta transiente O conversor Forward é essencialmente um conversor Buck isolado por um transformador Como a topologia Flyback o conversor Forward é adequado para aplicações de baixa potência sendo comumente usado para a potência de saída até 250 W Embora a eficiência seja comparável ao Flyback ele tem a desvantagem de ter um indutor adicional na saída e não é adequado para saídas de alta tensão O conversor Forward possui a vantagem sobre o conversor Flyback quando são necessárias altas correntes de saída Uma vez que a corrente de saída não é pulsante ele é adequado para aplicações em que a corrente seja superior a 15 A Fonte elaborada pelo autor Figura 318 Topologia do Conversor CC Forward U3 Conversores CCCC 136 Fonte elaborado pelo autor Figura 319 Formas de onda do conversor CC Forward O conversor Forward mostrado na Figura 318 é uma alternativa viável ao Flyback sempre que necessário aumentar ou diminuir uma tensão usando uma isolação galvânica Quando o interruptor T está fechado as correntes TI e LI aumentam linearmente e LI flui através do indutor para o capacitor e a carga Dessa forma a energia é transferida para a saída e armazenada no indutor Quando o interruptor T é aberto a energia armazenada no indutor faz com que a corrente LI continue a fluir para a saída A Figura 319 mostra a forma de onda da tensão T V e corrente TI no interruptor e da corrente no indutor LI Note que a corrente passa pelo diodo 1 D quando o indutor está recebendo energia da fonte e passa por 2 D quando o indutor fornece energia para carga Tal como acontece com o conversor Flyback o controle do ciclo de operação d do interruptor permite a variação da quantidade de energia armazenada no indutor Isso permite controlar a tensão de saída S V no conversor Assim a relação entre a tensão na saída S V e a tensão na entrada VE é obtida em função de P S n N N a razão de espiras do transformador o que resulta em E S V V d n 314 U3 Conversores CCCC 137 Outro conversor CCCC isolado é o PushPull O termo Push Pull é associado a dois interruptores que estão conectados ao terminal positivo ou negativo da fonte de alimentação CC A topologia PushPull é essencialmente um conversor Forward com dois enrolamentos primários Isso torna o uso do núcleo do transformador mais eficiente do que o Flyback ou o Forward A Figura 320 mostra a topologia do conversor PushPull Os interruptores 1 T e 2 T são alternadamente ligados Com o interruptor 1 T fechado o diodo 1 D conduz e a energia é armazenada simultaneamente no indutor e fornecida à carga Com 1 T e 2 T aberto a energia armazenada no indutor continua a fornecer a corrente através dos diodos paralelos 1 D e 2 D Quando o interruptor 2 T fecha o diodo 1 D continua a conduzir e o diodo 2 D deixa de conduzir e o processo se repete Fonte elaborada pelo autor Figura 320 Topologia do conversor CC PushPull A relação entre a tensão na entrada VE tensão na saída S V razão de enrolamentos no transformador n e o ciclo de trabalho d é dada por 2 E S V V d n 315 U3 Conversores CCCC 138 Um conversor PushPull deve fornecer uma tensão constante de 5 V a partir de uma fonte de alimentação de 8 V Sabendo que o controle das chaves é fixo com ciclo de trabalho de 50 qual taxa de enrolamento do transformador você deve usar para obter a tensão desejada ne saída no conversor Usando a Equação 315 temos que 8 2 2 50 E S V V d n n 8 5 100n 8 5 n A razão entre o número de espiras no primário e no secundário é dado por n de modo que são necessárias 5 espiras no secundário a cada 8 espiras no primário No controle do PushPull é necessário ter cuidado para não ligar ambos os interruptores 1 T e 2 T ao mesmo tempo Isso causará Exemplificando Assimile A Figura 321 mostra a forma de onda das correntes TI 1 e TI 2 e tensões VT 1 e VT 2 nas chaves 1 T e 2 T e as correntes no indutor LI e na saída SI A corrente LI possui o dobro da frequência da corrente TI Isso porque o secundário do conversor opera numa frequência duas vezes a frequência de chaveamento Observe um tempo td entre o final da condução de um interruptor e o tempo de ativação do outro Ele é necessário para evitar a condução simultânea dos dois interruptores U3 Conversores CCCC 139 um fluxo igual e oposto no transformador resultando em uma baixa impedância e uma corrente muito grande fluindo através do interruptor destruindoo Um outro cuidado com a topologia PushPull é que as tensões do interruptor são muito altas o dobro da tensão de entrada VE como mostrado na Figura 321 Fonte elaborada pelo autor Figura 321 Forma de onda do conversor PushPull A topologia meia ponte assim como a topologia PushPull pode operar com níveis de potência mais elevados e é baseada na topologia do conversor Forward Esta topologia mostrada na Figura U3 Conversores CCCC 140 Fonte elaborada pelo autor Figura 322 Topologia do conversor CC de a meia ponte e b ponte completa 322 a pode ser usada em aplicações com potência de saída até 500 W Por outro lado são menos adequados para aplicações com corrente de saída elevada Uma vantagem em relação ao PushPull é que as tensões nas chaves do conversor em meia ponte são iguais à tensão de entrada Como no PushPull os interruptores 1 T e 2 T do conversor em meia ponte são alternadamente ligados e assim também opera com um período td para evitar que ambos os interruptores operem fechados ao mesmo tempo Esse tempo é indispensável para evitar o curtocircuito mas limita o ciclo de operação da chave em cerca de 45 No conversor em meia ponte a relação entre a tensão de entrada VE tensão de saída S V razão de enrolamentos no transformador n e o ciclo de trabalho d é dada por E S V V d n 316 U3 Conversores CCCC 141 Fonte elaborada pelo autor Figura 323 Formas de onda do conversor em meia ponte A ponte completa fornece duas vezes a potência de saída do circuito em meia ponte No entanto como mostrado na Figura 322 b esta topologia requer 4 interruptores e seus respectivos diodos Os interruptores são chaveados em pares 1 T e 3 T 2 T e T conduzindo corrente alternadamente No conversor em ponte completa a relação entre a tensão na entrada VE tensão na saída S V razão de enrolamentos no transformador n e o ciclo de trabalho d é dada por 2 E S V V d n 317 Pesquise mais O LT3511 é um conversor isolado de alta tensão projetado com a topologia Flyback O LT3511 opera numa faixa de tensão de entrada de 45 V a 100 V e entrega até 25 W de potência de saída isolada Ele é aplicado em fontes de alimentação na área médica automotiva U3 Conversores CCCC 142 Sem medo de errar Retomando a situação problema você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos e terá o desafio de avaliar transformadores a ser usado no conversor CCCC isolado A avaliação do transformador é baseada na razão entre o número de espiras do enrolamento primário NP e do enrolamento secundário NS Esta razão define o valor da tensão transformada no secundário pela seguinte relação P P S S V N n V N 318 Fonte elaborada pelo autor Figura 324 Diagrama de um transformador monofásico em a e formas de onda da corrente em b e industrial O datasheet com suas características elétricas e térmicas está disponível em httpcdslinearcomdocsendatasheet3511fcpdf Acesso em 16 nov 2017 U3 Conversores CCCC 143 Figura 324 a mostra o diagrama do transformador monofásico a ser usado no inversor Se a tensão de saída no secundário S V for inferior à da tensão de entrada no primário P V o transformador é conhecido como transformador abaixador Caso contrário este é chamado de transformador elevador A Figura 324 b mostra que o sinal no primário está em fase com o do secundário Como responsável técnico você deve avaliar a razão de espiras P S n N N nos enrolamentos do primário e do secundário dos transformadores a serem usados nas seguintes topologias de conversores isolados Flyback Forward PushPull meiaponte e ponte Para essa atividade está disponível um circuito gerador de onda quadrada cujo ciclo de trabalho é fixo e de 60 Dessa forma como supervisor técnico você deve avaliar qual a razão entre os enrolamentos primários e secundários dos conversores CCCC para transformar uma tensão de entrada VE de 15 V em uma tensão na saída S V de 10 V Para resolver essa questão devese usar a relação entre a tensão de entrada VE a tensão de saída S V e o ciclo de trabalho d em cada uma das topologias de conversores CC CC e assim calcular a relação de espiras n Em um conversor Flyback essa relação é dada pela Equação 319 Com essa equação o valor de n é calculador por 1 E S V d V n d 319 15 06 10 1 06 n 9 10 04n 9 4 n U3 Conversores CCCC 144 Da mesma forma para o conversor Forward o valor de n é dado por E S V V d n 320 15 10 06 n 10 9 n 9 10 n Para o conversor PushPull o valor de dado por 2 E S V V d n 321 15 10 206 n 9 5 n Para o conversor meiaponte o valor de n é dado por E S V V d n 322 15 10 06 n 9 10 n U3 Conversores CCCC 145 Para o conversor ponte completa o valor de n é dado por 2 E S V V d n 323 15 10 206 n 9 5 n É interessante observar que os transformadores dos conversores Flyback PushPull e ponte completa apresentam o número de espiras no primário maior que no secundário Logo estes possuem tensão no secundário menor do que no primário sendo conhecidos como transformadores abaixadores Os conversores Forward e meiaonda utilizam transformadores elevadores por transformarem uma tensão no primário em uma tensão com maior amplitude no secundário Sendo assim com base nos cálculos da razão n de espiras de cada conversor teoricamente os conversores Forward e meia ponte são os que precisam de mais espiras para transformação correta da tensão Seriam necessárias 9 espiras no primário e 10 espiras no secundário Por outro lado o conversor Flyback requer 9 espiras no primário e 4 espiras no secundário Portanto podemos concluir que o transformador usado no Foward e meia ponte requerem um maior número de espiras o que o torna o maior dissipador de potência Como mostrado o tipo de transformador usado em cada conversor CCCC é função da tensão de entrada tensão de saída ciclo de trabalho dos interruptores e da sua topologia e estes devem ser avaliados durante o projeto U3 Conversores CCCC 146 Avançando na prática Projeto de conversor CCCC Flyback Descrição da situaçãoproblema Você está projetando um conversor CCCC Flyback que opera com faixa de tensão de entrada VE de 5 a 10 V e possui uma alta eficiência η de 90 No projeto do conversor você deve encontrar a faixa de tensão de saída do circuito ou seja o valor de tensão mínima e tensão máxima na saída do conversor O conversor possui um transformador com relação das espiras n de 18 Para controlar a chave do conversor está disponível um circuito oscilador em anel que gera um sinal de onda quadrada com 50 de ciclo de trabalho d Resolução da situaçãoproblema O conversor Flyback funciona semelhantemente ao conversor BuckBoost Assim ele desempenha tanto o papel do Buck como um abaixador de tensão na saída quanto o do Boost elevando a tensão na saída A Figura 325 mostra essa equivalência dos conversores Flyback e BuckBoost Fonte elaborada pelo autor Figura 325 Topologia dos Conversores a Flyback e b BuckBoost U3 Conversores CCCC 147 A tensão na saída S V do conversor Flyback é calculada por 1 E S V d V n d 324 Considerando a tensão de saída mínima VSMIN a tensão de entrada mínima VEMIN e a eficiência η da conversão esta equação á alterada para η 1 EMIN SMIN V d V n d 325 Substituindo os valores temos que 5 50 90 181 50 SMIN V VSMIN 36 V Fazendo o mesmo para a tensão de saída máxima VSMAX a tensão de entrada máxima VEMAX e a eficiência η esta equação á alterada para η 1 EMAX SMAX V d V n d 326 Substituindo os valores temos que 10 50 90 181 50 SMAX V VSMAX 72 V A faixa de tensão na saída do conversor projetado é de 36 V a 72 V Portanto o conversor Flyback projetado desempenha a função de aumentar o nível de tensão na entrada o que é um requisito de cargas que demandam maior tensão U3 Conversores CCCC 148 Faça valer a pena 1 No conversor PushPull os interruptores 1 T e 2 T são alternadamente ligados Com o interruptor 1 T fechado o diodo 1 D conduz e a energia é armazenada simultaneamente no indutor e fornecida à carga Com 1 T e 2 T abertos a energia armazenada no indutor continua a fornecer a corrente através dos diodos paralelos 1 D e 2 D Quando o interruptor 2 T fecha o diodo 1 D continua a conduzir e o diodo 2 D deixa de conduzir e o processo se repete Com relação às opções abaixo qual descreve a importância de ter um tempo entre o final da condução de um interruptor e o tempo de ativação do outro a Para evitar a condução simultânea dos dois interruptores 1 T e 2 T b Para aumentar a eficiência da conversão CCCC c Para aumentar o isolamento do transformador e assim reduzir o ruído na saída d Para reduzir a tensão de ripple na saída do conversor e Para reduzir a dissipação de calor nas chaves de potência 2 O conversor Flyback tem dois modos de operação dependendo se a indutância primária do transformador está completamente desmagnetizada ou não No modo contínuo a corrente sempre flui continuamente pelo interruptor TI ou pelo diodo ID No modo descontínuo a corrente no diodo ID e no interruptor TI atingem zero antes do final do período de chaveamento quando o interruptor está desligado resultando em uma descontinuidade Qual das opções seguintes indica uma vantagem dos conversores Flyback operar no modo contínuo em comparação ao modo descontínuo a Possui fraco isolamento de ruído e de interferência b Corrente de pico nas chaves é metade daquela no modo descontínuo c Tensão de ripple baixa de modo que a capacitância na saída do modo contínuo é o dobro daquela no modo descontínuo d Malha de realimentação fácil de estabilizar e Perdas zero no chaveamento do interruptor apresentando boa resposta transiente U3 Conversores CCCC 149 3 O conversor CCCC Forward é um circuito isolado por um transformador Ele é adequado para aplicações de baixa potência sendo comumente usado para a potência de saída até 250 W Este conversor eleva ou abaixa uma tensão contínua produzindo uma tensão superior ou inferior à tensão de entrada Ele pode ser usado para alimentar um motor CC a partir de uma bateria Considere uma fonte de tensão CC de 1 V para alimentar um motor CC com 75 V Está disponível um transformador com relação de espiras S P N N 16 Qual o ciclo de trabalho necessário para a ajustar a tensão na fonte ao nível de tensão do motor CC usando a topologia Forward a 100 b 91 c 80 d 71 e 65 U3 Conversores CCCC 150 Nas seções anteriores você conheceu os conversores CC não isolados e os isolados que operam com um transformador isolando o sinal na entrada do sinal na saída do conversor Assim o sinal na saída do conversor possui menos interferência e ruído O ruído está presente tanto na corrente quanto na tensão de saída do circuito A presença do ruído é um dos motivos de se usar capacitores e indutores no conversor CC Esses dispositivos atuam filtrando o sinal na saída O tamanho do indutor depende da amplitude do ruído na corrente que você deseja passar pelo indutor O tamanho do capacitor depende da amplitude do ruído na tensão que você deseja na carga Nessa seção você aprenderá a dimensionar o indutor e o capacitor em seu conversor CCCC A seleção do conversor CCCC requer que você conheça as topologias já estudadas anteriormente e os parâmetros como a eficiência frequência de chaveamento função de transferência faixa de corrente na entrada e na saída e faixa de tensão na entrada e na saída Com esse conhecimento você pode avaliar qual o circuito mais adequado para a sua aplicação Você como responsável técnico faz parte agora da equipe de projetos de circuitos eletrônicos e terá o desafio de desenvolver um conversor CCCC tipo Boost A grande questão do projeto é saber como dimensionar o capacitor e o indutor de saída para que o conversor opere de acordo com as especificações do projeto O dimensionamento desses dispositivos é em função do ruído na tensão na carga e do ruído no indutor Para te auxiliar nessa tarefa vamos discutir os parâmetros dos conversores CCCC Você conhecerá como os parâmetros estão relacionados ao desempenho dos conversores que são importantes na seleção de um conversor Essa seção contempla o dimensionamento de capacitor e indutor dos conversores e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Seção 33 Diálogo aberto Projeto de conversores CCCC U3 Conversores CCCC 151 Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Espero que esteja animado Bons estudos e um ótimo trabalho Não pode faltar Nas duas seções anteriores foram estudadas as topologias de conversores CCCC isolados e não isolados A seleção da topologia a ser usada em um projeto depende de diversos parâmetros além do isolamento Alguns desses parâmetros como a eficiência o custo relativo os tipos de componentes magnéticos e função de transferência S E V V são mostrados na Tabela 32 O custo relativo está associado aos diferentes componentes usados em cada topologia de conversor O conversor em ponte completa por exemplo é o mais caro com o custo relativo de 24 ou seja o seu custo equivale a 24 vezes o custo dos conversores básicos Buck Boost ou BuckBoost O seu custo é justificado pela presença de 4 diodos e 4 interruptores além de 1 transformador e 1 indutor A eficiência dos conversores apresentados varia na faixa de 70 a 85 Um outro dado relevante é o ciclo de trabalho prático Este parâmetro indica o tempo de pausa usado para evitar a sobreposição na operação das chaves ou o efeito transitório quando estas são chaveadas A pausa reduz o tempo de operação do conversor e assim o valor do ciclo de trabalho prático é inferior a 100 Veja que conversores cuja frequência de operação é o dobro da frequência de funcionamento das chaves possui 5 de pausa Os conversores cuja frequência de operação é igual à frequência de chaveamento o tempo de pausa é de 10 do ciclo de trabalho A função de transferência é a razão entre a tensão de saída S V e a tensão de entrada VE Esse parâmetro depende da topologia do conversor do ciclo de trabalho d e do parâmetro n que é a razão entre o número de espiras no primário NP com o número de espiras no enrolamento secundário NS do transformador U3 Conversores CCCC 152 Reflita Fonte Wurth Elektronik Tabela 32 Parâmetros para seleção dos conversores CCCC Topologia Eficiência típica Custo relativo Partes magnéticas S E V V Ciclo de Trabalho Prático Buck 85 1 1 indutor d 90 Boost 70 1 1 indutor 1 1 d 90 Buck Boost 70 1 1 indutor 1 d d 90 Cuk 75 12 2 indutores 1 d d 90 Flyback 75 15 1 transformador 1 d n d 90 Forward 75 18 1 transformador e 1 indutor d n 45 PushPull 80 18 1 transformador e 1 indutor 2d n 45 Meia ponte 80 2 1 transformador e 1 indutor d n 45 Ponte completa 85 24 1 transformador e 1 indutor 2d n 45 No mercado semicondutor existem vários tipos de conversores CC CC com características diferentes como mostrado na Tabela 32 U3 Conversores CCCC 153 Parâmetro Definição Relação tensão EntradaSaída É usada para selecionar entre um conversor elevador abaixador ou elevadorabaixador Eficiência Porcentagem de potência de entrada PE que é entregue à saída PS 100 100 S S S E E E P I V N P I V Faixa de tensão na entrada VE Determina a tensão de entrada máxima e mínima para o conversor Valores superiores à entrada máxima danificam o conversor Faixa de corrente na saída É a faixa de corrente fornecida pelo conversor CC CC a uma carga Corrente de saída máxima ISMAX Define a corrente máxima fornecida na saída do conversor Taxa de rejeição da ondulação da alimentação PSRR Descreve a capacidade de o conversor rejeitar as variações da fonte de alimentação em seu sinal de saída Corrente Quiescente É a corrente usada para operar o conversor e não é entregue à carga Corrente de fuga É a corrente no conversor quando ele está desativado ou desligado Conversores com uma mesma topologia podem ter desempenho distinto Topologias de conversores Flyback por exemplo podem apresentar diferenças em seus custos suas eficiências e funções adicionais Diante de tantas opções como você faria para escolher o melhor conversor para uma aplicação Na seleção de um conversor o especialista técnico precisa estudar os parâmetros de desempenho dos conversores disponíveis e avaliar se estes estão de acordo com as especificações da aplicação considerada A Tabela 33 lista alguns parâmetros de desempenho dos conversores CCCC e o que eles significam Tabela 33 Parâmetros de desempenho dos conversores CCCC U3 Conversores CCCC 154 Parâmetro Definição Ruído na tensão de saída É a faixa de ruído pico a pico da tensão de saída O ruído ocorre devido à natureza de chaveamento dos conversores Isso resulta em uma saída com harmônicos Fonte adaptada de Robison 2014 A taxa de rejeição de ondulação da fonte de alimentação PSRR é uma medida de quão bem um circuito rejeita a ondulação proveniente da fonte de alimentação Ela é a razão entre a ondulação de entrada VRIPPLE E e a ondulação de saída VRIPPLE S em uma ampla faixa de frequência e é expresso em decibéis dB A equação básica para PSRR é 20log RIPPLE E RIPPLE S V PSRR V 327 É importante fazer algumas considerações a respeito desses parâmetros Quanto maior for o ruído na tensão de saída maiores são capacitor e indutor do filtro e portanto maior área do circuito e o custo Uma alta eficiência e potência na saída requer chaves de potência maiores e portanto também aumentam a área e o custo Ao usar um conversor CCCC é uma boa prática selecionar uma fonte de potência de acordo com a eficiência do conversor Em um conversor CCCC com eficiência de 80 seria usada uma fonte com 125 de potência Por exemplo para alimentar uma carga de 100 W seria usado um conversor de 100 W com eficiência de 80 convertendo uma fonte de 125 W Em ocasiões gerais um conversor com forte isolamento não é necessário No entanto um maior isolamento pode garantir que o conversor tenha uma menor corrente de fuga e maior confiabilidade Pesquise mais Pesquise mais U3 Conversores CCCC 155 A Tabela 34 mostra os quatro passos que ajudam na seleção de um conversor CCCC para qualquer aplicação Fonte adaptada de Robison 2014 Tabela 34 Passos para seleção de um conversor CCCC Passo Descrição 1 Selecionar conversores com parâmetros que atendam a aplicação Por exemplo qual é a tensão de entrada necessária e a faixa de tensão de saída Você precisa de isolamento de entrada saída 2 Organizar os parâmetros da etapa 1 em ordem de prioridade com base na importância para sua aplicação 3 Restringir a seleção ao parâmetro mais importante para sua aplicação 4 Após a seleção do tipo de conversor avalie as funções opcionais que o conversor oferece a sua aplicação tais como proteção a sobrecorrente e sobretensão Em um conversor CCCC os capacitores e indutores são usados para filtrar ruídos nos sinais na entrada e na saída e aumentar a eficiência da conversão A seleção desses componentes passivos varia com a topologia do conversor considerado A Figura 326 representa a variação no tempo da corrente no indutor LI e da corrente na saída SI em um conversor abaixador Como pode ser visto a corrente do indutor não é constante mas varia em torno de SI entre um valor máximo e um mínimo cuja diferença é o ruído na corrente no indutor LI pico a pico U3 Conversores CCCC 156 Fonte elaborada pelo autor Figura 326 Corrente no indutor de um conversor abaixador O primeiro passo para selecionar o indutor de potência é definir a faixa de ruído na corrente do indutor aceitável LI na aplicação Em seguida o ciclo de trabalho é calculado tomando como base a função de transferência na Tabela 32 O valor do ciclo de trabalho depende da topologia do conversor Para o conversor Buck por exemplo o ciclo de trabalho é a razão entre a tensão na saída S V e a tensão na entrada VE O terceiro passo é encontrar o valor tensão no indutor O indutor opera com tensões diferentes para os estados ligado e desligado e a tensão depende da topologia No conversor Buck a tensão no indutor L V é a diferença entre VE e S V Por último é calculado o valor da indutância L usando a seguinte equação L CHAVE L V d L f I 328 Em que L V é a tensão no indutor S V é a tensão de saída do conversor fCHAVE é a frequência de chaveamento do conversor LI é a faixa de ruído na corrente do indutor pico a pico U3 Conversores CCCC 157 Conforme estabelecido na Equação 328 valores maiores de L permitem valores menores de LI o que resulta em menor ruído na corrente de saída e melhor eficiência mas uma resposta transitória mais lenta da carga Portanto selecionar a indutância certa é uma escolha entre os diferentes fatores Durante décadas os projetistas usaram LI entre 20 e 40 de SI tornandose uma faixa padrão Assim as quatro etapas para calcular a indutância são mostradas na Figura 327 Fonte elaborada pelo autor Figura 327 Corrente no indutor de um conversor abaixador A Figura 328 mostra um conversor Buck A frequência de chaveamento é de 250 kHz e a faixa de tensão na entrada é de 108 V a 132 V O ruído máximo na corrente é de 25 de SI cujo valor é igual a 880 mA e a tensão na saída é de 5 V Qual o valor do indutor Passo 1 Definir a faixa de ruído na corrente de saída Nesse exercício o ruído na corrente LI é 25 de 880 mA o que resulta no valor 25 220 L S I I mA 322 Veja que um valor LI de 25 de SI está numa faixa padrão conforme informado no item Assimile Assimile Exemplificando U3 Conversores CCCC 158 Passo 2 Calcular o ciclo de trabalho O ciclo de trabalho do conversor Buck é a razão da maior tensão de entrada VE e tensão de saída VS Assim o ciclo de trabalho é dado por S E V d V 329 5 0379 379 132 d Passo 3 Calcular a tensão no indutor A tensão no indutor possui valores quando a chave está aberta e fechada Calculase a tensão no indutor L V quando a chave está fechada considerando a maior tensão de entrada VE e a tensão na saída VS resultando em L E S V V V 330 132 5 82 VL V Passo 4 Calcular a indutância requerida no indutor L L CHAVE L V d L f I 331 µ 3 3 820379 56 25010 22010 L H Fonte elaborada pelo autor Figura 328 Topologia do conversor Buck a chave fechada e b chave aberta U3 Conversores CCCC 159 Ao selecionar um indutor de um dos vários fabricantes a indutância não é o único parâmetro a considerar Outro parâmetro importante é a corrente de saturação ISAT do indutor que nunca deve ser excedida na aplicação Operar o indutor acima de ISAT causaria uma perda significativa de indutância e um aumento acentuado da corrente no indutor durante a fase de carga Como a corrente máxima que flui no indutor ILMAX é função da corrente máxima na saída ISMAX e a variação da corrente no indutor tem se que 2 LMAX LMAX SMAX I I I 332 Um indutor com um ISAT maior que ILMAX deve ser selecionado para a aplicação Para minimizar as perdas resistivas um indutor com baixa resistência CC RCC deve ser selecionado Um indutor ideal não oferece resistência à corrente contínua exceto quando a corrente é ligada e desligada Os indutores reais são construídos a partir de materiais com condutividade elétrica finita que atenua até mesmo a corrente direta A resistência CC RCC de um indutor é normalmente muito pequena variando de menos de 001 Ω a alguns ohms geralmente não superior a 4Ω Indutores de menor valor normalmente têm um RCC mais baixo A função do capacitor na saída do conversor é manter uma tensão constante na saída A capacitância e a resistência equivalente em série ESR Equivalent Series Resistance influenciam a tensão na saída Devido à ESR a corrente no capacitor CI dissipa potência e aumenta a temperatura do próprio capacitor Como a temperatura excessiva afeta negativamente a confiabilidade e o tempo de vida de um capacitor um capacitor de saída com uma de corrente adequada deve ser selecionado Pesquise mais U3 Conversores CCCC 160 Os capacitores utilizados nos circuitos elétricos não são componentes ideais com apenas capacitância No entanto eles podem ser tratados com um ótimo grau de aproximação como capacitores ideais em série com resistência Esta resistência se opõe à corrente alternada e é definida como a resistência equivalente em série ESR Para conseguir uma melhor filtragem da tensão na saída são necessários capacitores de baixa ESR Os capacitores cerâmicos oferecem ESR muito baixo mas devese ter cuidado ao selecionar esse tipo de capacitor pois apresentam uma alta taxa de falha Existem diferentes tipos no mercado com cada um com características específicas de temperatura e tensão Portanto escolha o capacitor adequado para sua aplicação A capacitância mínima do capacitor de saída CSMIN pode ser obtido considerando a faixa de tensão na saída S V a faixa de ruído esperada na tensão de saída LI e a frequência de chaveamento fCHAVE resultando em 8 L SMIN CHAVE S I C f V 333 Nem sempre a seleção do capacitor é baseada no ruído na saída Em muitas situações a tensão de overshoot é considerada A tensão de overshoot é uma mudança transitória na tensão de saída que excede os limites especificados Normalmente ocorre quando o conversor é ligadodesligado ou algum fator externo como a alteração na carga de saída A capacitância de saída mínima CSMIN em função da tensão de overshoot VSST é dada por 2 2 S SMIN S SST I L C V V 334 em que SI é o ruído na corrente de saída L é a indutância no indutor de armazenamento e S V é a tensão na saída Assimile U3 Conversores CCCC 161 O capacitor na entrada do conversor normalmente possui o valor mínimo necessário para estabilizar a tensão na entrada frente aos picos de corrente em uma fonte de alimentação chaveada Na prática são usados capacitores cerâmicos com baixo ESR Considerando o mesmo conversor Buck apresentado no item Exemplificando anterior desta seção e os mesmos dados podemos calcular o valor da capacitância mínima na saída Para uma tensão de saída variando de 4 V a 6 V temos que 6 4 2V VS 335 Baseado na Equação 333 a capacitância mínima na saída é 3 3 220 10 55nF 8 250 10 2 SMIN C 336 Considerando que a tensão de overshoot é de 10 V a capacitância na saída calculada pela Equação 334 é dada por 3 2 6 220 10 56 10 271nF 2 5 10 SMIN C 337 Portanto a capacitância mínima para garantir o nível de ruído na corrente é maior do que a capacitância necessária para suportar a tensão de overshoot nessa aplicação Além do indutor e dos capacitores é necessário selecionar a chave de potência A seleção da chave de potência para um conversor CCCC é feita para garantir que esta suporte a tensão e a corrente usada durante a operação do circuito operação do circuito Comumente é selecionado o MOSFET Exemplificando U3 Conversores CCCC 162 Existem muitos tipos de transistores de potência disponíveis Dois dos tipos mais populares são o transistor de efeito de campo metalóxido semicondutor MOSFET e o transistor bipolar de porta isolada IGBT Historicamente a frequência alta de chaveamento baixa tensão e baixa corrente de operação favorecem o MOSFET Por outro lado aplicações que requerem frequência baixa de chaveamento alta corrente e alta tensão de operação favorecem o IGBT O MOSFET deve suportar uma alta tensão entre dreno e fonte que ocorre quando o indutor descarrega pelo diodo A corrente nominal no dreno do transistor tem que ser maior do que a corrente de pico no indutor Além disso para minimizar as perdas no chaveamento um transistor deve ter resistência drenofonte RDS reduzida O LM2621 é um conversor CCCC Buck com eficiência de 90 Ele aceita uma tensão na entrada entre 12 V e 14 V e convertea em uma tensão de saída regulada A tensão na saída pode ser ajustada entre 124 V e 14 V Um MOSFET tipo N faz o chaveamento do circuito Ele é aplicado em celulares GPS e computadores Para saber um pouco mais sobre este conversor acesse httpwwwticomlitdssymlinklm2621pdf Acesso em 2 jan 2017 Sem medo de errar Você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um Conversor CCCC para alimentar um motor CC Os conversores CCCC possuem indutores e capacitores que filtram o sinal na saída reduzindo os Lembrese Pesquise mais U3 Conversores CCCC 163 ruídos na carga O tamanho do indutor depende da amplitude do ruído na corrente que você deseja passar pelo indutor O tamanho do capacitor depende da quantidade de ruído na tensão que você deseja na carga Como responsável técnico você deve dimensionar o capacitor de saída e o indutor de saída considerando as especificações do projeto de um conversor CCCC Boost A Figura 329 mostra a topologia do conversor Boost As especificações do conversor estão mostradas na Tabela 35 A frequência de chaveamento é de 100 kHz a faixa de tensão na entrada é de 45 V a 55 V O ruído máximo na corrente é de 100 mA e a tensão na saída é de 12 V Fonte elaborada pelo autor Figura 329 Topologia do conversor Boost Tabela 35 Especificações de um conversor CCCC Boost Sigla Significado Valor FCHAVE Frequência de chaveamento 100 kHz VE Tensão na entrada do conversor 45 V a 55 V IL Faixa do ruído na saída 100 mA U3 Conversores CCCC 164 Sigla Significado Valor VS Tensão na saída 12 V VS Faixa de tensão na saída 11 V a 13 V VSST Tensão de overshoot 20 V d Ciclo de trabalho 1 E S V d V ISMAX Corrente máxima na saída 10 A Fonte elaborada pelo autor Passo 1 Definir a faixa de ruído na corrente de saída Nesse exercício o ruído na corrente LI é de 100 mA Passo 2 Calcular o ciclo de trabalho O ciclo de trabalho do conversor Boost é a razão da maior tensão de entrada VE e tensão de saída S V Assim o ciclo de trabalho é dado por 1 E S V d V 338 1 55 12 d 542 d Passo 3 Calcular a tensão no indutor A tensão no indutor possui valores quando a chave está aberta e fechada Figura 330 ilustra os dois modos de operação U3 Conversores CCCC 165 Fonte elaborada pelo autor Figura 330 Topologia do conversor Boost com a chave fechada b chave aberta Calculase a tensão no indutor L V quando a chave está fechada considerando a maior tensão de entrada VE e a tensão na saída S V resultando em VL 55 V 339 Quando a chave está aberta a tensão no indutor é 12 55 65 L O I V V V V Passo 4 Calcular a indutância requerida no indutor L L CHAVE L V d L f I 340 3 3 55 0542 100 10 100 10 L L 298µ H Passo 5 Calcular a corrente de saturação requerida no indutor L A corrente de saturação ISAT deve ser maior que a tensão no indutor LI A corrente do indutor por sua vez é a soma da corrente máxima na saída SI com a metade do máximo ruído na saída LMAX I Assim temse U3 Conversores CCCC 166 LSAT LMAX I I 341 2 LMAX LSAT SMAX I I I 3 100 10 10 2 LSAT I ILSAT 1005 A Passo 6 Calcular a capacitância mínima na saída com o ruído na tensão Considerando que a tensão na saída varia de 11 V a 13 V Temos assim que baseado na Equação 333 a capacitância mínima na saída é 8 L SMIN CHAVE S I C f V 342 3 3 100 10 8 100 10 2 SMIN C SMIN 625nF C Passo 6 Calcular a capacitância mínima na saída com a tensão máxima de overshoot Considerando que a tensão de overshoot é de 20 V a capacitância na saída calculada pela Equação 334 é dada por 2 2 S SMIN S SST I L C V V 343 3 2 6 100 10 298 10 2 10 20 SMIN C CSMIN 745nF U3 Conversores CCCC 167 Portanto a capacitância mínima para garantir o nível de ruído na corrente é maior do que a capacitância necessária para suportar a tensão de overshoot nessa aplicação Passo 7 Escolha do indutor e do capacitor de saída Podemos concluir que o indutor escolhido deve ter indutância de 298 µH e a corrente de saturação ISAT de 1005 A A capacitância de saída mínima é de 625 nF o que é suficiente para tensões acima da tensão de overshoot Assim os indutores e capacitores dimensionados nesse exemplo filtram o sinal na saída do conversor reduzindo os ruídos no motor CC Avançando na prática Cálculo do ruído no indutor de um conversor Buck Descrição da situaçãoproblema Agora você precisa alimentar uma carga com tensão contínua Uma bateria com tensão VE está disponível mas esta não fornece o nível de tensão adequado para alimentar a carga Assim você está usando um conversor CCCC Buck para alimentar a carga que possui resistência 12 kΩ como mostrado na Figura 331 O conversor possui uma faixa de tensão na saída S V de 3 a 6 V A corrente na saída do conversor deve possuir um ruído limitado para que este não seja danificado Sabendo que o indutor suporta uma corrente máxima ILMAX de 55 mA a sua atividade é estimar o máximo ruído na saída do conversor U3 Conversores CCCC 168 Fonte elaborada pelo autor Figura 331 Topologia do Conversor CCCC Buck Resolução da situaçãoproblema A corrente máxima ISMAX na carga é dada em função da tensão máxima na carga VSMAX e a resistência R Assim calculamos a corrente máxima por SMAX SMAX V I R 3 6 5 1210 ISMAX mA A corrente mínima ISMIN na saída do conversor é dada por SMIN SMIN V I R 3 3 25 1210 ISMIN mA Usando o valor da corrente máxima ISMAX na carga e a corrente máxima no indutor ILMAX podese calcular o ruído máximo aceitável no indutor dado por 344 345 U3 Conversores CCCC 169 2 LMAX LMAX SMAX I I I 346 3 3 55 10 5 10 2 LI 3 0510 2 LI LI 1 mA Fonte elaborada pelo autor Figura 332 Ruído na corrente do indutor Dessa forma o indutor suporta ruído LI de 1 mA pico a pico como mostrado na Figura 332 Valores acima desse limite de ruído causaria uma perda significativa no efeito indutivo e um aumento acentuado da corrente no indutor durante a fase de carga U3 Conversores CCCC 170 Faça valer a pena 1 As diferentes aplicações impõem diferentes requisitos aos conversores CCCC O especialista técnico precisa primeiro estudar os parâmetros de desempenho de um conversor e avaliar os requisitos requeridos em uma aplicação Então o especialista pode escolher o conversor apropriado para sua aplicação Com relação às opções abaixo qual descreve corretamente um parâmetro dos conversores CCCC a Quanto maior for o ruído na tensão de saída menor será o capacitor e indutor do filtro e portanto menor a área do circuito e o custo b Uma alta eficiência e potência na saída requer chaves de potência maiores e portanto também aumentam a área e o custo c Corrente de fuga é a corrente usada para operar o conversor e não é entregue à carga d Corrente quiescente é a corrente no conversor quando ele está desativado ou desligado e Eficiência é porcentagem de tensão de entrada que é entregue à saída PS 2 Em um conversor CCCC os capacitores e indutores são usados para filtrar ruídos nos sinais na entrada e na saída e aumentar a eficiência da conversão A seleção desses componentes passivos varia com a topologia do conversor considerado Qual das opções seguintes indica os dois parâmetros considerados na seleção dos indutores nos conversores CCCC a Corrente de saturação do indutor e a indutância b Temperatura e eficiência do conversor c Corrente de fuga e corrente quiescente no conversor d Faixa de corrente na entrada e tamanho do capacitor e Tensão de overshoot e ruído na tensão de saída do conversor 3 O uso essencial dos conversores CCCC é alterar a amplitude da corrente ou tensão CC da fonte tornandoa maior ou menor na saída do circuito Ao usar esse conversor é uma boa prática selecionar uma fonte U3 Conversores CCCC 171 de potência de acordo com a eficiência do conversor Em um conversor CCCC com eficiência de 80 por exemplo seria usada uma fonte com 125 de potência Considere uma carga de 187 W a uma fonte de entrada de 220 W Sabendo que estão disponíveis cinco tipos de conversores CCCC Flyback Forward BuckBoost ponte completa e meia ponte com respectivas eficiências 75 78 81 83 e 85 Qual o conversor mais adequado para aplicação a Flyback b Forward c BuckBoost d Meia ponte e Ponte completa AHMED Ashfaq Eletrônica de potência São Paulo PrenticeHall 2000 HART Daniel W Eletrônica de potência análise e projetos de circuitos Porto Alegre Bookman 2012 MOHAN Ned UNDELAND Tore M ROBBINS William P Power electronics converters applications and design 3 ed New York J Wiley 2003 NPTELPOWER SUPPLY FlyBack Type Switched Mode Power Supply Disponível em httpwwwnptelacincoursesWebcoursecontentsIIT20KharagpurPower20 ElectronicsPDFL22DPPE20EENPTELpdf Acesso em 7 mar 2018 RASHID Muhammad H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron 1999 ROBINSON Moises RUDIAK Jerry Guide to choosing the best LDO for your application 2014 Disponível em httpswwwdesignreusecomarticles34841 guidetochoosingthebestldoforyourapplicationhtml Acesso em 6 mar 2018 WURTH ELEKTRONIK Switch mode power supply topologies compared Disponível em httpwwwweonlinecomwebenindexphpshowmedia06passive componentscustommagneticspicturesandgraphics1midcomblog photosSMPSChartpdf Acesso em 28 dez 2017 Referências Unidade 4 O uso essencial dos inversores de potência é converter uma corrente ou tensão contínua em alternada Geladeira chuveiro elétrico liquidificador e ventilador são alguns aparelhos eletrônicos que funcionam com tensão CA fonte de alimentação primária nas residências Na ausência da fonte primária são usadas fontes de alimentação secundárias como as baterias que fornecem tensão contínua Nesse caso os inversores de potência são essenciais para conversão da energia CC em CA a fim de manter a operação desses aparelhos Esses conversores podem ser monofásicos trifásicos e em meia ponte ou ponte completa Eles podem produzir como saída uma onda quadrada onda senoidal ou senoidal modificada dependendo da topologia do circuito Anteriormente os inversores de potência eram formados por uma combinação de partes mecânicas e eletrônicas Com a evolução da indústria de semicondutores eles se tornaram puramente eletrônicos e estão cada vez mais acessíveis eficientes e compactos muito em razão da evolução no aumento na frequência máxima de operação do IGBT e na redução da relação custotensão de operação do MOSFET Eles possuem muitas aplicações industriais sendo encontrados em circuitos de acionamento de motores sistemas de energia fotovoltaica e aquecedores por indução Para pôr em prática todo esse conhecimento você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos e deve ser capaz de usar o conhecimento da eletrônica de potência para resolver os Convite ao estudo Inversores de tensão desafios que serão apresentados ao longo das seções Nesses desafios você apresentará soluções para problemas práticos da eletrônica de potência propondo e avaliando circuitos com conversores CCCA monofásicos e trifásicos Diante desses desafios como você aplicará o conhecimento teórico aprendido ao longo da disciplina em projetos práticos de eletrônica de potência Como a teoria permitirá que você encontre uma solução simples de baixo custo e robusta Essas são algumas questões que um técnico faz quando inicia um novo projeto Aluno nesta unidade você terá seções de conversores CCCA monofásicos e trifásicos em meiaponte e ponte completa Estudará brevemente as suas classificações estruturas e modos de operação Por último serão estudados detalhes dos projetos de conversores CCCA Desejamos bons estudos e que esteja bem animado em conhecer mais sobre os conversores CCCA U4 Inversores de tensão 175 Um conversor CCCA converte um sinal de tensão ou corrente contínuo em alternado Existem dois tipos de conversores CCCA monofásico e trifásico Esses circuitos são chamados de inversores de potência e possuem aplicações em sistemas de energia alternativa como a solar e eólica e nas indústrias os acionamentos de motores CC e aquecedores indutivos Os conversores CCCA são estruturados em meiaponte e em ponte completa Nesta seção estudaremos os conversores CCCA monofásicos em meiaponte e em ponte completa A estrutura em ponte completa é superior em todas as especificações no entanto requer mais componentes e controle mais complexo se comparado com o conversor em meiaponte Retomando o contexto imaginemos que você é o responsável técnico que está alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Agora você terá o desafio de dimensionar um sistema fotovoltaico O sistema é composto por painéis solares baterias e inversor O painel solar produz uma corrente contínua CC que é armazenada nas baterias e o inversor converte esse sinal CC em CA Diante desse desafio como você dimensionará o número de painéis solares e de baterias usadas Como você deve escolher o inversor para sua aplicação Para lhe auxiliar nessa tarefa vamos discutir as estruturas e a operação dos conversores CCCA monofásicos meiaponte e ponte completa operando com cargas lineares puramente resistivas e nãolineares indutivas Vamos estudar as características e aplicações de cada estrutura Esta seção contempla o essencial dos inversores de potência monofásicos e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Bons estudos e um ótimo trabalho Seção 41 Diálogo aberto Conversores CCCA inversores de tensão monofásicos U4 Inversores de tensão 176 Não pode faltar Um conversor CCCA ou inversor de potência é um dispositivo eletrônico que transforma uma corrente ou tensão contínua CC em uma corrente ou tensão alternada CA Ele pode ser estático formado inteiramente por circuitos eletrônicos ou ser uma combinação de partes mecânicas e eletrônicas Mesmo que a entrada para um circuito inversor seja uma fonte CC não é incomum ter esse CC derivado de uma fonte de corrente alternada como a fornecida pelo sistema de energia elétrica Assim a fonte primária de potência de entrada pode ser a fonte de tensão CA que é convertida para CC por um conversor CACC e depois invertida de volta para a CA usando um inversor por exemplo Aqui o sinal CA de saída pode ser de uma frequência e magnitude diferentes da CA fornecida na entrada Pesquise mais Os inversores de potência estão cada vez mais acessíveis eficientes e compactos muito em razão da evolução no aumento na frequência máxima de operação do IGBT e na redução da relação custotensão de operação do MOSFET Eles possuem muitas aplicações sendo encontrados em acionamentos de motores sistemas de energia fotovoltaico aquecedores por indução usados na cozinha etc Existem duas topologias comuns de inversores monofásicos ponte completa e meia ponte A ponte completa é superior em todas as especificações mas requer mais componentes e controle mais complexo Reflita Sabendo que o inversor em ponte completa é mais eficiente por que então o conversor em meia ponte ainda é usado Será que que um bom técnico prefere usar o conversor em meia ponte em aplicações que atenda aos requisitos por ser um dispositivo com menor custo Nesta seção vamos avaliar a operação dos inversores monofásicos primeiramente com uma carga linear formada por uma resistência e em seguida avaliar com uma carga nãolinear RL resistivaindutiva Um inversor monofásico é mostrado na Figura 41 a Para analisar esse circuito são feitas as seguintes considerações a S1 e S2 são chaves unidirecionais isto é elas conduzem a corrente somente em uma direção b O nó a da corrente de entrada é positivo c a corrente através de S1 é denotada I1 e a corrente em S2 é I2 As formas de onda da tensão e da corrente na carga resistiva são mostradas na Figura 41 b A Figura 41 b mostra a sequência de operação das chaves do inversor de modo que o interruptor S1 está fechado para o intervalo de 0 t T1 e o interruptor S2 está fechado para o tempo T1 t T2 Quando o interruptor S1 está ativo a tensão instantânea em toda a carga é Vs VE2 41 Quando o interruptor S2 é ligado a tensão em toda a carga é Vs VE2 42 U4 Inversores de tensão 178 A operação do inversor monofásico em meia onda possui dois modos conforme exemplificado na Figura 42 com o modo 1 em a e o modo 2 em b Nessa figura o sentido da corrente em cada modo é indicado por setas A Tabela 41 reúne as características dos dois modos de operação Figura 42 Modos de operação do inversor monofásico em meia ponte a modo 1 b modo Fonte elaborada pelo autor Tabela 41 Modos de operação do inversor monofásico de meia ponte Modo Características 1 no intervalo 0 1 t T O interruptor S1 está ligado e o interruptor S 2 está desligado A corrente flui do capacitor carregado com VE 2 passa pela chave S1 e pelo nó a alimenta a carga resistiva R e fecha a malha no nó b A tensão na carga é positiva 2 no intervalo T t T 1 2 O interruptor S1 está desligado e o interruptor S 2 está ligado A corrente flui do capacitor carregado com VE 2 passa pelo nó b e alimenta a carga resistiva R Depois passa pelo nó a e flui pela chave S 2 fechando a malha A tensão na carga é negativa Fonte elaborada pelo autor U4 Inversores de tensão 179 Um inversor monofásico em ponte completa é mostrado na Figura 43 a Na análise do conversor é convencionado que a a corrente que entra no nó a é positiva b os interruptores S1 S 2 S3 e S 4 são unidirecionais Quando os interruptores S1 e S 2 são ligados simultaneamente no período de 0 1 t T a tensão de entrada VE aparece na carga e a corrente passa do ponto a para o b Quando os interruptores S3 e S4 estiverem ligados em T t T 1 2 a tensão em toda a carga é invertida e a corrente através da carga flui do ponto b para a As formas de onda de tensão e corrente na carga resistiva são mostradas na Figura 43 b Figura 43 Inversor monofásico em ponte completa com carga linear a circuito b formas de onda Fonte elaborada pelo autor Os dois modos de operação do inversor monofásico em ponte completa são mostrados na Figura 44 Nela o sentido da corrente em cada modo é indicado por setas A Tabela 42 reúne as características dos dois modos de operação U4 Inversores de tensão 180 Figura 44 Modos de operação do inversor em ponte completa a modo 1 b modo 2 Fonte elaborada pelo autor Tabela 42 Modos de operação do inversor monofásico de ponte completa Modo Características 1 no intervalo 0 1 t T Os interruptores S1 e S 2 estão ligados e S3 e S 4 estão desligados A corrente flui pelos capacitores carregados com VE 2 passa pela chave S1 e pelo nó a alimentando a carga resistiva R Ela passa pelo nó b flui pela chave S 2 e retorna aos capacitores fechando a malha A tensão na carga é positiva 2 no intervalo T t T 1 2 Os interruptores S1 e S 2 estão desligados e S3 e S 4 estão ligados A corrente flui pelos capacitores carregados com VE 2 passa pela chave S3 e pelo nó b e alimenta a carga resistiva R Ela passa pelo nó a flui pela chave S 4 e retorna aos capacitores fechando a malha A tensão na carga é negativa Fonte elaborada pelo autor A operação do conversor CCCA em meiaponte com carga indutiva é similar à com carga linear A diferença é que com uma carga indutiva a corrente na saída do inversor IS não muda imediatamente com a tensão VS conforme mostrado na Figura 45 e U4 Inversores de tensão 181 No modo 1 que ocorre no intervalo de tempo 0 1 t T o interruptor S1 está inicialmente desligado e a corrente IS flui através do capacitor C 2 e do diodo D2 até a corrente cair para zero como mostrado na Figura 45 a Quando o interruptor S1 está ligado a corrente flui através do indutor dos pontos a para b conforme mostrado na Figura 45 b O modo 2 ocorre da mesma forma de modo que S 2 está inicialmente desligado e a corrente flui através do diodo D1 e do capacitor C 1 até a corrente cair para zero conforme mostrado na Figura 45 c Quando S 2 é ligado a corrente de carga flui no indutor dos pontos b para a conforme mostrado na Figura 45 d Quando os diodos D1 e D2 conduzem a corrente retorna para a fonte CC e esses diodos são conhecidos como diodos de realimentação Figura 45 Operação do inversor monofásico em meia ponte com carga nãolinear a Modo 1 com S1 desligado b Modo 1 com S1 ligado c Modo 2 com S 2 desligado e d Modo 2 com S 2 ligado Formas de onda da tensão e da corrente na saída em e Fonte elaborada pelo autor Os modos de operação do inversor em ponte completa com carga indutiva são mostrados na Figura 46 em a b c e d e são descritos a seguir Figura 46 e mostra a forma de onda da tensão VS e da corrente IS na saída do inversor U4 Inversores de tensão 182 Figura 46 Operação do inversor monofásico em ponte completa com carga não linear a Modo 1 com S1 e S 2 desligado b Modo 1 com S1 e S 2 ligado c Modo 2 com S3 e S 4 desligado e d Modo 2 com S3 e S 4 ligado Formas de onda da tensão e da corrente na saída em e Fonte elaborada pelo autor O Modo 1 ocorre no intervalo T t T 0 1 em que inicialmente os interruptores S1 S 2 S3 e S 4 estão desligados e a corrente IS flui pelos diodos D1 e D2 até se tornar zero como mostrado na Figura 46 a Quando IS 0 as chaves S1 e S 2 ficam ativas e passam a conduzir IS conforme a Figura 46 b O Modo 2 ocorre no intervalo T t T 1 2 Inicialmente quando t T 1 todos os interruptores estão desligados e a corrente IS é conduzida pelo par de diodos D3 e D4 de acordo com a Figura 46 c Devido à natureza indutiva da carga IS continua fluindo através da carga do ponto a para b e dos diodos D3 e D4 até que IS tornese zero Quando IS 0 o par de interruptores S3 e S 4 fica ativo como mostrado na Figura 46 d Então S3 e S 4 passam a conduzir a corrente IS que acumula na direção oposta do nó b até o nó a Na Figura 46 e os modos de operação do conversor são divididos em 4 zonas distintas Na Zona I os diodos D1 e D2 conduzem até que a corrente na saída do inversor IS se torne zero Uma vez que IS seja igual a zero os comutadores S1 e S 2 conduzem até VS Assimile U4 Inversores de tensão 183 se tornar zero marcado como Zona II No intervalo T t T 1 2 os diodos D3 e D4 conduzem na Zona III até IS 0 Finalmente na Zona IV as chaves S3 e S 4 conduzem até VS 0 Um inversor pode produzir uma onda quadrada onda senoidal onda senoidal modificada dependendo da topologia do circuito conforme a Figura 47 Os inversores mais comercializados são de onda senoidal Isso se deve ao fato de que todos os equipamentos comercializados são projetados para operar com onda senoidais Os inversores de onda senoidal também são os mais caros Figura 47 Forma de onda na saída do inversor a senoidal b senoidal modificada c quadrada Fonte elaborada pelo autor Um inversor de onda senoidal modificada tem uma forma de onda parecida com uma onda quadrada A onda senoidal modificada é criada usando um sinal modulado por largura de pulso PWM Pulse Width Modulation no controle das chaves do inversor Pesquise mais As técnicas de controle da operação dos inversores monofásicos são modulação por largura de pulso PWM único múltiplo e senoidal e modulação por deslocamento de fase PSM Phase Shift Modulation Para inversores trifásicos técnicas importantes de controle de tensão são PWM senoidal e modulação espacial vetorial SVM Space Vector Modulation A Figura 48 apresenta as técnicas usadas pelos inversores monofásico e trifásicos U4 Inversores de tensão 184 Figura 48 Técnicas de controle dos inversores monofásicos e trifásicos Fonte elaborada pelo autor Os motores elétricos precisam operar com uma ampla faixa de velocidades O controle da velocidade pode ser alcançado verificando tanto a frequência quanto a amplitude da tensão que alimenta o motor Uma forma de controlar esse sinal de tensão é utilizando técnicas de controle como a PWM Nessa modulação a largura do pulso é variada para controlar a tensão de saída do inversor Os sinais usados no controle das chaves e a tensão de saída dos inversores de ponte completa monofásicos são mostrados na Figura 49 Os sinais de controle das chaves são gerados comparando um sinal de referência retangular de amplitude Ar com um sinal triangular de amplitude de Ac A frequência do sinal de referência determina a frequência fundamental da tensão de saída A razão entre Ar e Ac é uma variável de controle e definida como índice de modulação de amplitude M M A A r c 43 Um sinal PWM é usado para controlar as chaves de um inversor Esse sinal é gerado pela comparação de um sinal de referência retangular de amplitude Ar 25 com um sinal triangular Sabendo que é necessário um índice de modulação de amplitude M de 5 qual a amplitude do sinal triangular Ac Usando a Equação 43 obtemos que 5 2 5 Ac Exemplificando U4 Inversores de tensão 185 Ac 0 5 Assim um sinal triangular com amplitude 05 permite a geração de um sinal com índice de modulação de amplitude 25 As correntes para as cargas R e RL também são mostradas na Figura 49 Variando Ar de 0 a Ac o pulso é modificado de 0C a 180C e a tensão VS de 0 a VE Figura 49 Tensão e corrente em um inversor monofásico controlado por PWM único Fonte elaborada pelo autor U4 Inversores de tensão 186 O EG8010 é um conversor CCCA monofásico de onda senoidal fabricado em um circuito integrado O EG8010 fornece uma onda senoidal pura de 5060 Hz com alta precisão e baixa distorção harmônica por meio de um oscilador de cristal externo de 12 MHz Ele foi desenvolvido para aplicações em sistemas fotovoltaicos e eólicos bem como no controle da velocidade de motores monofásicos Para saber um pouco mais deste conversor acesse o link Disponível em httpwwwlz2glcomdatapowerinverter3kw eg8010datasheetenpdf Acesso em 13 abr 2018 Pesquise mais Sem medo de errar Retornando a situaçãoproblema lembrese de que você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um inversor e bateria usados em um sistema fotovoltaico PV Photovoltaic como mostrado na Figura 49 Diante desse desafio como você irá dimensionar o número de painéis solares e de baterias usadas Como você deve escolher o inversor para sua aplicação O sistema é usado para alimentar uma cabine com duas lâmpadas 18 Watts cada e dois ventiladores 60 Watts cada que funcionam durante 6 horas por dia A potência máxima fornecida por cada painel solar é de 40 W o fator de operação é de 75 e a eficiência é de 81 O fator de operação ou a relação de desempenho é definido como a relação entre o rendimento real e o rendimento alvo Um painel com fator de operação 50 produz apenas metade do que é esperado na sua especificação A eficiência de um painel solar é basicamente quanto de energia da luz do sol o painel solar converte em energia elétrica por m2 Ou seja um painel solar com eficiência de 35 converte 35 da energia que incide sobre o painel por m2 em energia elétrica Os inversores comerciais disponíveis são de 100 200 e 500 W Cada inversor possui uma eficiência de 90 de modo que há uma perda de 10 na conversão da energia CC para CA Figura 410 Sistema fotovoltaico a ser projetado Fonte adaptada de PVSYSTEM 2016a Um projeto de sistema solar PV pode ser feito em três etapas Estimativa de carga Estimativa do número de painéis fotovoltaicos Estimativa do banco de bateria O requisito de energia total do sistema ou seja a carga total conectada ao sistema de painel PV é dada pela soma de potência das cargas PC de modo que PC 2Plâmpada 2Pventilador 218 260 156 W A energia consumida EC em um dia é dada em função da quantidade de horas nhoras que as cargas operam de modo que EC PCnhoras 156 W6 h 936 Wh A potência de saída PS de um painel é função da potência de saída máxima PSMAX e do fator de operação Fo dada por PS PSMAXFo 40075 30 W A potência de saída real PSREAL usada no uso final é menor devido à menor eficiência η combinada do sistema resultando em PSREAL PSη 30 W81 243 W A energia produzida ESREAL por um painel de 40 W durante 8 horas em um dia temse Figura 411 Topologia do inversor monofásico de meia ponte Assim como nos inversores monofásicos a presença de uma carga indutiva faz com que a corrente de saída não mude sua direção instantaneamente Quando as chaves são desativadas entre um modo e outro a corrente de saída mantém a sua direção passando a fluir através do diodo de realimentação Uma vez que a corrente se torna zero o diodo deixa de conduzir e a corrente volta a fluir através das chaves U4 Inversores de tensão 190 A nova corrente na carga IS NOVO é obtida por I V R mA S NOVO S NOVO 6 50 120 A corrente na carga agora é 120 mA Como as cargas estão ligadas em paralelo cada carga continuará sendo alimentada por 60 mA Assim a corrente máxima que passa em cada carga possui valor inferior a 100 mA e portanto as cargas não serão danificadas Faça valer a pena 1 Um conversor CCCA ou inversor de potência é um dispositivo eletrônico que transforma uma corrente ou tensão contínua CC em uma corrente ou tensão alternada CA Existem duas topologias comuns de inversores monofásicos ponte completa e meia ponte Com relação às opções abaixo qual descreve as duas desvantagens do conversor CCCA ponte completa em relação ao conversor CCCA meiaponte a Possui menor eficiência e a tensão de saída pode ser maior que a de entrada b Possui mais componentes e controle mais complexo c Possui fator de ripple maior e maior tensão de pico inversa d Possui menor excursão de sinal de saída e maior taxa de harmônicos e Possui menor eficiência e são mais custosos 2 A operação do conversor CCCA com carga indutiva é similar à com carga puramente resistiva A diferença é que com uma carga indutiva a corrente na saída do inversor IS não altera imediatamente quando a tensão VS varia como mostrado na Figura 412 Figura 412 Formas de onda da tensão e da corrente na saída indutiva do inversor Fonte elaborada pelo autor U4 Inversores de tensão 191 3 As técnicas de controle da operação dos inversores monofásicos são modulação por largura de pulso PWM único múltiplo e senoidal e modulação por deslocamento de fase PSM Phase Shift Modulation Para inversores trifásicos há técnicas importantes de controle de tensão sendo elas PWM senoidal e modulação espacial vetorial SVM Space Vector Modulation Um sinal PWM é usado para controlar as chaves de um inversor Esse sinal é gerado pela comparação de um sinal de referência retangular de amplitude Ar 4 com um sinal triangular Sabendo que é necessário um índice de modulação de amplitude M de 6 qual a amplitude do sinal triangular Ac a 033 b 050 c 066 d 100 e 150 Com relação às opções abaixo qual descreve a importância dos diodos de realimentação na condução de corrente de saída nos inversores e as suas características de operação a Diodos mantêm a direção da corrente de saída tornandose ativos quando a corrente de saída é zero e inativos quando a tensão é zero b Diodos mantêm a direção da corrente de saída tornandose ativos quando a tensão de saída é zero e inativos quando a corrente é zero c Diodos invertem a direção da corrente de saída tornandose ativos quando a corrente de saída é zero e inativos quando a tensão é zero d Diodos invertem a direção da corrente de saída tornandose ativos quando a tensão de saída é zero e inativos quando a corrente é zero e Diodos mantêm a direção da corrente de saída tornandose ativos quando a tensão de saída é zero e inativos quando a corrente é máxima U4 Inversores de tensão 192 Nesta seção estudaremos os inversores de potência trifásicos dispositivos que convertem o sinal contínuo CC em alternado CA A conversão trifásica é mais eficiente do que a monofásica embora seja mais complexa e mais custosa Esses circuitos são usados em sistemas de acionamento de motores de corrente alternada sistemas de alimentação de energia ininterrupta e sistemas de geração de energia solar fotovoltaica Os inversores podem fornecer um sinal de onda quadrada e de onda senoidal Para se obter o sinal esperado as chaves dos inversores trifásicos podem ser controladas por duas técnicas de comutação a de condução por 180 graus e a de condução por 120 graus Na técnica de 180 graus cada chave permanece ativa por 180 e assim três chaves estão simultaneamente sempre ativas Na condução de 120 graus cada chave conduz por 120º sendo que somente duas estão ativas simultaneamente Os conversores analisados nesta seção são comutados pela técnica de 180 graus Retornando ao contexto você é o responsável técnico que está alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Agora você terá o desafio de participar de um projeto de um VFD acionador de frequência variável para controlar um motor trifásico O seu papel no projeto é definir os valores máximos e mínimos fornecidos ao conversor para que o motor opere na faixa de frequência especificada Como o VFD pode ser usado para controlar a velocidade do motor trifásico Como seriam estruturados o retificador trifásico e o inversor trifásico no projeto do VFD Para lhe auxiliar nesta tarefa vamos discutir as estruturas e a operação dos conversores CCCA trifásicos controlados pela técnica de condução por 180 Vamos estudar os modos de operação do inversor e as suas características Essa seção contempla o essencial dos inversores de potência trifásicos e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Saiba que com o Seção 42 Diálogo aberto Conversores CCCA inversores de tensão trifásicos U4 Inversores de tensão 193 conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Bons estudos e um ótimo trabalho Não pode faltar Os inversores trifásicos são amplamente utilizados no acionamento de motores de corrente alternada com controle de velocidade em sistemas de alimentação de energia ininterrupta UPS Uninterruptible Power Supply como o nobreak e em sistemas fotovoltaicos A operação do inversor é baseada numa técnica de modulação que controla a duração e a sequência dos sinais usados para ligar e desligar as chaves de potência Com o controle das chaves de potência o inversor produz uma fonte de tensão trifásica cuja amplitude sequência de fase e frequência são variáveis A modulação por largura do pulso PWM é a mais utilizada para controlar os inversores e assim gerar as tensões de saída requeridas A variedade de métodos PWM permite que inversores operem com desempenhos diferentes A escolha e utilização de um método PWM específico não é uma tarefa simples Entre os métodos mais pesquisados atualmente estão PWM contínuo CPWM PWM senoidal SPWM e PWM por espaço vetorial SVPWM Pesquise mais As técnicas de comutação dos inversores mais comuns são condução por 180 graus e condução por 120 graus No modo de operação 180 cada interruptor conduz por 180 Por isso em qualquer instante três interruptores permanecem ligados simultaneamente No modo 120 cada chave conduz por 120 de modo que duas chaves conduzem simultaneamente A Figura 413 mostra os dois modos de condução U4 Inversores de tensão 194 Figura 413 Técnica de comutação da condução dos inversores por a 180 b 120 Fonte elaborada pelo autor A topologia de um inversor trifásico padrão é mostrada na Figura 413 e os modos de comutação válidos são apresentados na Tabela 43 considerando a técnica de condução por seis pulsos 180 Como nos inversores monofásicos os interruptores de qualquer perna do inversor S1 e S4 S3 e S6 ou S5 e S2 não podem ser ligados simultaneamente porque isso resultaria em um curtocircuito da fonte de alimentação Da mesma forma os interruptores de qualquer perna do inversor não podem ser desligados simultaneamente pois isso resultaria em tensões que dependem da respectiva polaridade de corrente de linha Figura 414 Topologia do inversor trifásico Fonte elaborada pelo autor Tabela 43 Modos válidos para um inversor trifásico Modo Chaves ligadas Chaves desligadas Vab 1 5 6 e 1 2 3 e 4 VE U4 Inversores de tensão 195 Modo Chaves ligadas Chaves desligadas Vab 2 61 e 2 3 4 e 5 VE 3 12 e 3 4 5 e 6 0 4 2 3 e 4 5 6 e 1 VE 5 3 4 e 5 6 1 e 2 VE 6 4 5 e 6 1 2 e 3 0 Fonte elaborada pelo autor Para gerar uma determinada forma de onda de tensão o inversor opera em uma sequência de modos A seleção dos modos é feita pela técnica de modulação que habilita e desabilita as chaves referentes àquele modo Como resolução as tensões de linha resultantes na saída do inversor possuem os valores VE 0 e VE A Figura 415 mostra a topologia do inversor trifásico com uma carga resistiva conectada em estrela Y em a e em delta em b Nesta seção estudaremos os inversores com carga conectada em estrela Na análise do conversor é convencionado que a Uma corrente saindo do nó a b ou c e entrando no ponto neutro n é positiva b Todas as três resistências são iguais Ra Rb Rc R Figura 415 Topologia do inversor trifásico com carga resistiva a estrela Y b delta Fonte elaborada pelo autor Inversor trifásico com carga resistiva modo 2 em a e circuito equivalente em b Tabela 44 Características do modo de operação do inversor trifásico controlado pela técnica de condução por 180 Modo Chaves ativas Intervalo de operação Corrente Tensão 1 S5 S6 e S1 0 ωt π3 ia ie ib ie iE vE3R van ven vE3 vcn vE3 2 S6 S1 e S2 π3 ωt 2π3 ib ie ia vE3R van ven vE3 vbn vE3 3 S1 S2 e S3 2π3 ωt 3π3 ia ib ie vE3R van ven vE3 vbn vE3 4 S2 S3 e S4 3π3 ωt 4π3 ia ie ib vE3R van ven vE3 vcn vE3 5 S3 S4 e S5 4π3 ωt 5π3 ia ie ib vE3R van ven vE3 vbn vE3 6 S4 S5 e S6 5π3 ωt 6π3 ia ib ie vE3R van ven vE3 vcn vE3 Fonte elaborada pelo autor Nos modos 4 5 e 6 os circuitos equivalentes são os mesmos que os modos 1 2 e 3 respectivamente As correntes ia ib e ic e tensões van vbn e vcn também são iguais em módulo com o sentido invertido e assim o sinal também é invertido como mostrado na Tabela 44 Exemplificando Considerando um inversor trifásico em modo de operação de 180 com carga resistiva como seriam as formas de onda das tensões de fase van vbn e vcn e das tensões de linha em sua saída vab vbc e vca Na Figura 419 temos os sinais usados para controlar os tiristores de S1 ao S6 As parcelas das tensões de fase van vbn e vcn são calculadas pelas expressões da Tabela 44 A partir das tensões de fase as tensões de linha são obtidas pelas relações vab van vbn vbc vbn vcn vca vcn van e vbc vbn vcn As tensões de linha vab vbc e vca são mostradas na Figura 419 Veja que a tensão de linha varia entre vE e vE Figura 419 Formas de onda no conversor trifásico com condução 180 Além do sinal de onda quadrada o inversor também pode ser controlado para fornecer uma onda senoidal pura e uma onda senoidal modificada A Figura 420 ilustra a conversão do sinal CC em uma onda senoidal e uma onda quadrada No modo 2 as chaves S6 S1 e S2 estão ligadas no intervalo de tempo π3 ωt 2π3 O fluxo de corrente e o circuito equivalente são mostrados na Figura 417a e na Figura 417b respectivamente Figura 417 Inversor trifásico com carga resistiva modo 2 em a e circuito equivalente em b Fonte elaborada pelo autor No modo 3 as chaves S1 S2 e S3 estão ligadas no intervalo 2π3 ωt 3π3 O fluxo de corrente e os circuitos equivalentes são mostrados nas Figuras 418a e 418b respectivamente Figura 418 Inversor trifásico com carga resistiva modo 3 em a e circuito equivalente em b Fonte elaborada pelo autor U4 Inversores de tensão 200 Uma onda quadrada é muito simples com o sinal CC alterando entre positivo e negativo Dependendo da aplicação a onda quadrada pode ser adaptada para gerar uma onda senoidal modificada conforme a Figura 421 Ao utilizar a modulação da largura do pulso e as técnicas de filtragem a forma de onda pode ser refinada até se parecer muito com a de uma onda senoidal pura Figura 421 Formas de onda quadrada senoidal pura e senoidal modificada Fonte elaborada pelo autor Figura 420 Formas de onda quadrada e senoidal na saída do inversor Fonte elaborada pelo autor Não há um valor padrão que defina uma onda senoidal pura e vários fabricantes trabalham com especificações diferentes Geralmente é convencionado para efeitos práticos que quando a distorção harmônica total THD da forma de onda é inferior a 3 ela é considerada onda senoidal pura Estudamos que os inversores produzem sinais simples como os de onda quadrada e sinais complexos como os senoidais Ainda assim em muitas aplicações são usados outros sinais tal como a onda senoidal modificada Você sabe dizer quais seriam as vantagens de usar um sinal de onda senoidal modificada em relação a senoidal pura e à onda quadrada Muitos equipamentos funcionam bem com inversores de onda senoidal modificados incluindo motores eletrodomésticos e outros itens Em cargas que requer precisão são usados os conversores de onda senoidal pura que possuem taxa de distorção harmônica menor Esses são mais complexos e custam mais Um exemplo de aplicação que exige uma onda senoidal pura é aquele que depende de um cruzamento zero da onda senoidal para o funcionamento o qual ocorre nos dispositivos de temporização de osciladores de cristal A Figura 422 mostra em a um exemplo de um circuito inversor PWM trifásico e em b as formas de onda do sinal de referência VTRIANGULAR e dos sinais de controle VCAVCBVCC Os sinais VTRIANGULAR VCAVCBVCC são usados para gerar o sinal PWM a ser usado no controle dos interruptores Assim tomando como exemplo o sinal VCA temos que a Quando VCAVTRIANGULAR controle A fracVE2 b Quando VCAVTRIANGULAR controle A fracVE2 U4 Inversores de tensão 202 Figura 422 Inversor trifásico com PWM circuito em a formas de onda em b Fonte elaborada pelo autor O TLC4000 é um conversor CCCA trifásico com eficiência máxima de 981 Ele aceita uma tensão na entrada máxima de 1000 V e corrente de entrada máxima de 11 A Ele foi desenvolvido para aplicações em sistemas fotovoltaicos residenciais e comerciais Para saber um pouco mais desse conversor acesse o link httpswwwzeversolarcomfileadminuseruploadpdfdatasheets enzeversolardatasheetthreephaseinvertersevershineenpdf Acesso em 13 abr 2018 Pesquise mais Sem medo de errar Retomando a situaçãoproblema lembrese de que você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um VFD acionador de frequência variável para controlar um motor trifásico Com o VFD o motor trifásico pode ter a sua velocidade alterada ajudando a frequência da tensão utilizada para alimentálo O diagrama do sistema VFD é ilustrado na Figura 423 O VFD é formado por um retificador e um inversor trifásico assim como mostra a Figura 424 Temse disponível uma tensão de 220 V com frequência de 60 Hz que gera uma tensão constante de 20 V na saída do filtro do retificador A relação entre a velocidade de rotação do motor n e a frequência do sinal de entrada do motor f é dada por n 15f O valor de f é função da frequência do sinal usado pelo microprocessador fmp e da tensão de referência VREF resultando em f fmp left fracVREF2020 right A frequência fmp é a frequência do sinal usado pelo microprocessador para gerar os sinais de controle das chaves do inversor Aqui é considerado que fmp 1 kHz A tensão VREF é a tensão usada na geração do sinal de saída do microprocessador O motor deve operar variando numa faixa de frequência de 15 kHz a 30 kHz O seu papel no projeto é definir os valores máximos e mínimos de VREF para que o motor opere na faixa de frequência especificada U4 Inversores de tensão 204 Figura 423 Diagrama do VFD usado no controle da velocidade de um motor trifásico Fonte elaborada pelo autor Figura 424 Circuito do VFD formado por um retificador e um inversor trifásico Fonte elaborada pelo autor Como o motor deve operar numa faixa de frequência de 15 kHz a 30 kHz a frequência máxima f MAX na saída do inversor é calculada usando a Equação 41 o que resulta em f kHz MAX 2 A frequência mínima f MIN do sinal do inversor é calculada usando a Equação 41 o que resulta em nMAX 30 kHz 15f nMIN 15 kHz 15f fMIN 1 kHz A faixa de frequência na saída do inversor é de 1 kHz a 2 kHz Assim calculando a tensão de referência pela Equação 42 temse a tensão máxima VREFMAX dada por 2kHz 1kHz left fracVREFMAX 2020 right VREFMAX 60 V A tensão mínima de referência VREFMIN é calculada por 1kHz 1kHz left fracVREFMIN 2020 right VREFMIN 40 V Portanto o microprocessador usa uma tensão de referência que varia de 40 V a 60 V assim garante a operação do motor numa faixa de frequência de 15 kHz a 30 kHz U4 Inversores de tensão 206 Resolução da situaçãoproblema Para superar o problema utilizamse diodos de realimentação que permitem o fluxo de corrente do enrolamento do motor para o barramento CC quando o IGBT está desligado A Figura 425 a ilustra o fluxo de corrente com o IGBT na posição ativa Veja que a corrente fluirá através do IGBT e nos enrolamentos do motor A tensão na carga é igual à tensão no barramento CC Figura 425 Sentido da corrente no inversor com o IGBT ligado em a e desligado em b Fonte elaborada pelo autor A Figura 425 b mostra que a corrente é conduzida pelo diodo de realimentação quando um IGBT é desligado Veja que a tensão produzida no enrolamento do motor pode ser muito U4 Inversores de tensão 207 grande 20 kV sendo essa tensão maior que a do barramento CC 600 V Sem esse caminho a tensão na junção do IGBT é tão alta que o IGBT pode ser danificado Portanto os diodos de realimentação têm uma função importante na segurança da operação do inversor e a sua ausência reduz a confiabilidade do circuito Faça valer a pena 1 A operação do inversor é baseada numa técnica de modulação que controla a duração e a sequência dos sinais usados para ligar e desligar as chaves de potência Com o controle das chaves de potência o inversor produz uma fonte de tensão trifásica cuja amplitude sequência de fase e frequência são variáveis As técnicas de comutação dos inversores mais comuns são condução por 180 graus e condução por 120 graus Com relação às opções a seguir quais descrevem as características da técnica de comutação de condução por 180 a Cada interruptor conduz por 180 e seis interruptores permanecem ligados simultaneamente b Cada interruptor conduz por 180 e três interruptores permanecem ligados simultaneamente c Cada interruptor conduz por 180 e dois interruptores permanecem ligados simultaneamente d Cada interruptor conduz por 120 e seis interruptores permanecem ligados simultaneamente e Cada interruptor conduz por 120 e três interruptores permanecem ligados simultaneamente 2 Além do sinal de onda quadrada o inversor também pode ser controlado para fornecer uma onda senoidal pura e uma onda senoidal modificada Uma onda quadrada é muito simples com o sinal CC alterando entre positivo e negativo Dependendo da aplicação a onda quadrada pode ser adaptada para gerar uma onda senoidal modificada Com relação às opções abaixo qual descreve as técnicas usadas para converter um sinal de onda quadrada em um sinal senoidal modificado U4 Inversores de tensão 208 3 Para gerar uma determinada forma de onda de tensão o inversor trifásico opera em uma sequência de modos A seleção dos modos é feita pela técnica de modulação que habilita e desabilita as chaves referentes àquele modo Como resultado as tensões de linha resultantes na saída do inversor possuem os valores VE 0 e VE Com relação às opções abaixo qual descreve os interruptores que devem estar ativos no conversor trifásico da Figura 426 a para se obter o circuito equivalente mostrado na Figura 426 b a Modulação da largura do pulso e as técnicas de filtragem b Condução por 180 e condução por 120 c Carga em estrela e carga em triângulo d Flyback e Cùk e Monofásico e trifásico Figura 426 Topologia do inversor trifásico a e circuito equivalente em b Fonte elaborada pelo autor a S1 S2 e S6 b S1 S2 e S3 c S1 S5 e S6 d S1 S4 e S5 e S2 S5 e S6 U4 Inversores de tensão 209 Nas seções anteriores você conheceu os conversores CCCA monofásicos e trifásicos sendo os trifásicos mais eficientes uma vez que têm menores perdas de potência na operação além de uma menor distorção harmônica Assim o sinal na saída do conversor trifásico possui menos interferência e ruído O ruído está presente tanto na corrente como na tensão na saída do conversor A presença do ruído é um dos motivos de se usar filtros harmônicos formados por capacitores e indutores na saída do conversor CC CA Esses dispositivos atuam filtrando os ruídos do sinal na saída O tamanho do indutor e do capacitor dependem da frequência de ressonância e da ordem do filtro A frequência de ressonância ocorre quando a reatância capacitiva de um circuito RLC se torna igual à reatância indutiva assim a tensão e a corrente estão em fase e há a transferência máxima de potência da fonte para a carga Nesta seção você aprenderá a selecionar o indutor e o capacitor do seu conversor CCCA em função da frequência de ressonância A seleção do conversor CCCA requer que você conheça as topologias já estudadas anteriormente e os parâmetros como eficiência frequência de chaveamento tipo de onda de saída potência consumida em modo desligado e taxa de distorção harmônica TDH Com esse conhecimento você pode avaliar qual o circuito mais adequado para a sua aplicação Retornando ao contexto você é o responsável técnico alocado na equipe de projetos de circuitos eletrônicos Agora você tem o desafio de selecionar o filtro harmônico mais adequado para um conversor CCCA usado em um sistema fotovoltaico A grande questão do projeto é saber como dimensionar o capacitor e o indutor de saída para que o conversor opere de acordo com as especificações do projeto O dimensionamento desses dispositivos é em função da frequência de ressonância do filtro e de sua ordem Como você pode calcular a capacitância e a indutância a serem Seção 43 Diálogo aberto Projeto de conversores CCCA U4 Inversores de tensão 210 usados no filtro Qual a ordem do filtro mais adequada para seu projeto Essas são algumas questões interessantes que você deve fazer ao longo do projeto Para lhe auxiliar nessa tarefa vamos discutir os parâmetros dos conversores CCCA Você conhecerá como os parâmetros estão relacionados ao desempenho dos conversores que são importantes na seleção de um conversor Essa seção contempla o dimensionamento do capacitor e do indutor dos conversores e pode ser enriquecida com datasheets artigos e outros materiais técnicos Saiba que com o conhecimento adquirido aqui você estará apto para futuros projetos de eletrônica de potência Bons estudos e um ótimo trabalho Não pode faltar Estudamos nesta unidade que os inversores são dispositivos capazes de converter um sinal CC em CA eles geralmente são alimentados por um sinal contínuo por exemplo uma tensão de 12 V de uma bateria e fornece um sinal alternado Para alimentar um aparelho eletrônico portátil como um celular ou um LED uma tensão de 5 V CC é suficiente Mas para muitos aparelhos eletrodomésticos como uma geladeira máquina de lavar ou televisão certamente usamos energia alternada já que a maioria desses aparelhos são projetados para serem executados em CA Para essas aplicações quando se tem disponível apenas fontes CC como uma bateria os inversores são de grande utilidade porque são usados em fonte de alimentação ininterrupta UPS Uninterruptible Power Supply uma fonte de alimentação secundária que entra em ação quando há interrupção no fornecimento de energia primária CA alimentando os dispositivos a ele ligados O sistema UPS é formado por células que armazenam energia CC que mais tarde precisa ser convertida em CA para alimentar cargas trifásicas tais como motores trifásicos sistemas de refrigeração etc A Figura 427 mostra um diagrama da funcionalidade do sistema UPS U4 Inversores de tensão 211 Figura 427 Esquema do sistema de fornecimento de energia CA usando um inversor Fonte elaborada pelo autor Além das baterias a energia CC pode ser gerada em sistemas fotovoltaicos Essa forma de gerar energia é vantajosa por ser renovável limpa e econômica pois requer baixo custo de manutenção dos equipamentos Nos sistemas fotovoltaicos os inversores são usados junto aos painéis solares que produzem um sinal CC que é então convertido em CA Em sistemas mais complexos são usados um regulador solar e uma bateria A Figura 428 ilustra o diagrama do inversor em um sistema fotovoltaico Figura 428 Esquema do sistema fotovoltaico com um inversor Fonte adaptada de SOLARPOWER 2016 U4 Inversores de tensão 212 Esses são alguns dos exemplos mais comuns nos quais os inversores são amplamente usados fornecendo sinais na forma de onda quadrada onda senoidal modificada ou onda senoidal pura Os inversores de onda senoidal pura alimentam os dispositivos com mais precisão menos perda de energia e menor geração de calor O processo de formação da onda senoidal pura é geralmente realizado tomando uma fonte de tensão CC que pode ser aumentada usando um conversor CCCC elevador conversor Boost ou usando um transformador elevador após o estágio CA Um sinal PWM é usado no controle das chaves do inversor para codificar uma onda senoidal A variante mais simples da conversão CCCA é a produção de uma onda quadrada em sua formação a tensão de carga é comutada entre o nível alto e o nível baixo sem fornecer um nível de tensão intermediário Os inversores de onda quadrada raramente são utilizados na prática já que muitos dispositivos que utilizam circuitos de temporização requerem uma precisão obtida apenas com a onda senoidal Além disso uma onda quadrada possui componentes de 3º e 5º harmônicos relativamente grandes que provocam uma dissipação de potência e a redução severa da eficiência dos dispositivos que usam esses inversores como fonte de energia Um sinal harmônico é definido como aquele cuja frequência é um múltiplo inteiro da frequência fundamental do sinal de alimentação Assim um sinal de onda quadrada com harmônicos é deformado em relação a um sinal de onda quadrada puro Pesquise mais Os inversores também são classificados de acordo com o número de níveis em sua saída O inversor de onda quadrada por exemplo apresenta um nível positivo e outro negativo sendo conhecido como inversor de dois níveis já o multinível possui mais de dois níveis o que reduz a distorção harmônica U4 Inversores de tensão 213 Assimile O número de níveis indica o quão próximo tornase um sinal comparado a uma onda senoidal pura Veja na Figura 429 a um sinal senoidal modificado com 3 níveisVE 2 0 e VE 2 com 5 níveis em bVE 2 VE 4 0 VE 4 e VE 2 e com 7 níveis em cVE 2 VE 3 VE 6 0 VE 6 VE 3 VE 2 Quanto maior for o número de níveis mais próximo o sinal será de uma onda senoidal pura e assim menor será a distorção harmônica Figura 429 Sinal de inversores multinível a três níveis b cinco níveis c sete níveis Fonte elaborada pelo autor O inversor ideal possui 100 de eficiência potência infinita e a saída de onda senoidal Na prática todos os inversores apresentam pontos fortes e fracos Uma vez que a tecnologia de semicondutores evolui dispositivos como os transistores tiristores e diodos tornam se mais rápidos e eficientes o que permite o desenvolvimento de inversores melhores A Tabela 45 mostra uma comparação dos diferentes tipos de inversores comerciais bem como um grande número de topologias de inversores destacando o tipo de chave a frequência de chaveamento a forma de onda na saída a taxa de distorção harmônica total a eficiência típica e o consumo de potência em modo desligado U4 Inversores de tensão 214 Tabela 45 Comparativo entre diversos tipos de topologias de inversores Topologia Tipo de chave Frequência da chave Onda na saída TDH Eficiência típica Potência em modo desligado Push Pull1 Tiristor Baixa Quadrada Alta 50 80 Alto Push Pull2 MOSFET Baixa Senoidal modificada Média 15 35 8090 Baixo Ponte completa baixa frequência MOSFET Baixa Senoidal modificada Média 15 35 8595 Baixo Ponte completa alta frequência MOSFET Alta Senoidal modificada Média 15 35 8590 Médio Multinível de alta frequência MOSFET Alta Senoidal Baixa 15 7090 Alto Multinível de baixa frequência MOSFET Baixa Senoidal Baixa 3 5 8595 Baixo Multinível híbrido MOSFET Alta Senoidal Baixa 15 8595 Médio Fonte adaptada de DIESELDUCK 2014 Reflita A Tabela 45 mostra alguns tipos de inversores A variedade de topologias atualmente é bem maior mas cada fabricante desenvolve seus dispositivos com a finalidade de atender a diferentes aplicações de modo que eles apresentam desempenhos diferentes Sendo assim como podemos escolher um inversor para uma aplicação É fundamental que um inversor selecionado possua desempenho suficiente para operar as cargas específicas de um projeto assim são consideradas duas etapas na seleção do inversor A primeira etapa na seleção do inversor é calcular a potência total Watts de todos os aparelhos que você planeja alimentar Praticamente todos os equipamentos alimentados por corrente alternada possuem um rótulo indicando quantos Watts de potência este precisa para operar U4 Inversores de tensão 215 A segunda etapa é determinar as características da sua carga As cargas de corrente alternada geralmente se dividem em duas categorias cargas eletrônicas como fontes de alimentação chaveadas encontradas nos computadores e cargas de motores como o compressor no refrigerador Ambos tipos requerem níveis diferentes de potência necessários para a partida geralmente chamado de pico de sobretensão para cargas eletrônicas ou corrente de rotor bloqueado para cargas de motor A corrente de rotor bloqueado é a corrente absorvida pelo motor com o rotor bloqueado travado com velocidade zero sob tensão e frequência nominais Tanto a corrente de pico de sobretensão quanto a corrente de rotor bloqueado são quase sempre consideravelmente maiores do que a corrente de carga em regime permanente corrente necessária para alimentar a carga após o início da operação Ambas devem ser consideradas ao dimensionar o inversor a bateria e os cabos que conectam os dois em um sistema fotovoltaico conforme exemplificado na Figura 430 Figura 430 Filtros de entrada e saída do inversor Fonte elaborada pelo autor Filtros são usados na entrada e na saída do inversor com finalidades distintas A Figura 430 ilustra a aplicação dos filtros no sinal em cada estágio O filtro de entrada remove o ruído presente no sinal CC e assim fornece uma tensão limpa ao circuito do inversor O filtro de saída conhecido como filtro harmônico remove os componentes de alta frequência na saída do inversor produzindo uma onda quase senoidal Como observamos na Tabela 45 algumas topologias de inversores apresentam uma taxa de distorção harmônica total TDH significativa o que afeta a eficiência do conversor Filtros harmônicos são usados para reduzir o TDH Os filtros harmônicos mais comuns são de primeira ordem L filtro indutivo segunda ordem LC filtro indutivo capacitivo e terceira ordem LCL filtro indutivo capacitivo indutivo como mostrado na Figura 431 filtro LCL é dada em função das duas indutâncias L1 e L2 e da capacitância C por f0 12πL1 L2 L1L2C Um filtro LCL pode atingir níveis reduzidos de distorção harmônica para menores frequências de comutação Por outro lado o filtro LCL pode causar uma distorção na corrente de entrada dinâmica e estacionária devido a frequência de ressonância O filtro é um circuito formado por capacitância indutância e resistência e usado para separar uma faixa de frequência A resistência apenas atenua o sinal de entrada enquanto a capacitância e a indutância modificam o sinal durante a transição do estado inicial para o estado estacionário final pois eles armazenam ou liberam energia de forma exponencial a partir do sinal de entrada A Figura 432 mostra a atenuação do ganho em função da frequência nos filtros L LC e LCL Na escala de frequência do gráfico uma década é uma variação da frequência em dez vezes Por exemplo uma variação de 1 a 10 Hz representa uma década enquanto de 50 a 5000 Hz representam duas décadas 50 a 500 Hz e depois 500 a 5000 Hz Para o Filtro LC a capacitância C1 é calculada em função da indutância L e da frequência fundamental f0 de modo que f0 12πLC1 Substituindo os valores da indutância L do indutor disponível e da frequência fundamental f0 obtemos 60 Hz 12π100 mHC1 C1 7036 µF Para o filtro LCL a frequência de ressonância f0 é em função das duas indutâncias L1 e L2 e da capacitância C2 e dado por f0 12πL1 L2 L1L2C2 Substituindo os valores das indutâncias L1 e L2 do indutor disponível e da frequência fundamental f0 obtemos que 60 Hz 12π100 mH 100 mH 100 mH100 mHC2 C2 1407 µF U4 Inversores de tensão 218 Uma simplificação de um inversor de potência usa um par de transistores para alternar a corrente CC através do enrolamento de um transformador elevador de forma centralizada como mostra a Figura 433 Para que este circuito funcione corretamente os sinais de disparo do transistor devem ser precisamente sincronizados para garantir que os dois nunca estejam ligados simultaneamente Os sinais de disparo são geralmente gerados por circuitos digitais cujas frequências determinam a frequência de operação do inversor Figura 433 Simplificação de topologia comum de um inversor Fonte elaborada pelo autor O circuito apresentado na Figura 433 é formado por dois MOSFET cujo sinal de controle é fornecido por um circuito digital Qual seria uma possível solução de circuito para gerar sinais de disparo dos MOSFET O diagrama esquemático mostrado na Figura 434 mostra um circuito para gerar os sinais de disparo Ele é formado por um temporizador 555 resistências comparador flipflop e outras portas digitais A Figura 435 ilustra os sinais gerados por esse circuito Observe que os sinais fornecidos aos dois transistores não se sobrepõem Exemplificando U4 Inversores de tensão 219 Figura 434 Circuito gerador de sinais para controlar os MOSFET Fonte elaborada pelo autor Figura 435 Sinais usados no controle das chaves nos inversores Fonte elaborada pelo autor U4 Inversores de tensão 220 Os conversores apresentados ao longo deste material tornam se mais complexos com o desenvolvimento de novos dispositivos semicondutores e o aperfeiçoamento dos dispositivos existentes Assim como os conversores CACC e os conversores CCCC os conversores CCCA tornaramse mais complexos mais eficientes mais rápidos trazendo uma revolução na eletrônica de potência O inversor foi originalmente desenvolvido em razão da sua principal função de conversão CACC mas seu papel desde então foi expandido em sistemas fotovoltaicos Funcionando como o cérebro do sistema fotovoltaico as soluções avançadas de inversores são agora responsáveis por comunicações monitoramento gerenciamento de energia inteligente armazenamento segurança e muito mais Para saber mais sobre a evolução dos inversores de potência está disponível um informativo sobre o avanço da tecnologia dos inversores de potência em SOLARENERGY Advances in Inverter Technology Disponível em httpswwwaltenergymagcomarticle201608advancesin invertertechnology24319 Acesso em 16 abr 2018 Pesquise mais Sem medo de errar Você é o responsável técnico contratado por uma equipe de projetos de circuitos eletrônicos Atualmente sua equipe está trabalhando em um projeto de um filtro harmônico para um conversor CCCA em um sistema fotovoltaico Os filtros possuem indutores e capacitores que filtram o sinal na saída reduzindo os ruídos na carga A fonte desses ruídos são os harmônicos presentes nos componentes nãolineares do sistema Como responsável técnico você deve avaliar os filtros a serem usados em um inversor monofásico Para isso precisa dimensionar o capacitor de saída a ser usado em função do indutor de 100 mH disponível e a frequência fundamental de 60 Hz na saída da carga A Figura 436 mostra a topologia do inversor monofásico com um filtro de segunda ordem em a e com um filtro de terceira ordem em b filtro LC na Figura 431 b é um filtro de segunda ordem que dá uma atenuação de 40 dB década Uma vez que o filtro L anterior resulta em uma baixa atenuação dos componentes de chaveamento do inversor é necessário um capacitor para atenuar ainda mais a distorção harmônica Esse componente deve ser selecionado para produzir baixa reatância na frequência de comutação Contudo nessa faixa de frequência esse elemento deve apresentar uma impedância de grande magnitude A frequência de ressonância f0 é calculada em função da indutância L e capacitância C do filtro de modo que f0 12πLC O filtro LC é adequado para configurações em que impedância de carga é relativamente alta e acima da frequência de comutação O consumo de energia reativa do filtro LC é maior do que o do filtro L devido à adição do capacitor U4 Inversores de tensão 222 A capacitância a ser usada no filtro de terceira ordem LCL é duas vezes maior do que a necessária ao filtro de segunda ordem LC Assim se formos usar um capacitor comercial 150 µF por exemplo o filtro de terceira ordem é o mais adequado Podemos ainda utilizar dois capacitores de 150 µF em série e obter uma capacitância de 75 µF adequada para o filtro de segunda ordem A Figura 437 ilustra os sinais na saída de um filtro de segunda ordem em a e de terceira ordem em b para os valores calculados A distorção harmônica no sinal em a é maior do que no sinal em b o que é visto pela maior trepidação do ruído Ainda assim em ambos os filtros a distorção não é tão significativa Uma distorção harmônica excessiva leva a um sobreaquecimento ou mesmo queima dos componentes da rede Portanto embora o filtro de terceira ordem seja mais adequado o de segunda ordem consegue filtrar o sinal de forma aceitável para a maioria das aplicações que requerem menor sensibilidade Figura 437 Forma de onda na saída do inversor monofásico com filtro LC em a e LCL em b Fonte elaborada pelo autor Avançando na prática Seleção de uma topologia de conversor CCCA Descrição da situaçãoproblema Você está selecionando um conversor CCCA para uma aplicação com algumas restrições 1 O conversor será usado com uma carga sensível ao ruído 2 Uma eficiência do sistema acima de 90 é recomendável U4 Inversores de tensão 223 3 O conversor opera com uma frequência de comutação elevada Entre as opções da Tabela 46 qual seria a mais adequada para a aplicação considerada Tabela 46 Comparativo entre diversos tipos de topologias de inversores Topologia Frequência da chave Onda na saída TDH Eficiência típica PushPull1 Baixa Quadrada Alta 50 80 PushPull2 Baixa Senoidal modificada Média 15 35 80 90 Ponte completa baixa frequência Baixa Senoidal modificada Média 15 35 85 95 Ponte completa alta frequência Alta Senoidal modificada Média 15 35 85 90 Multinível de alta frequência Alta Senoidal Baixa 1 5 70 90 Multinível de baixa frequência Baixa Senoidal Baixa 3 5 85 95 Multinível híbrido Alta Senoidal Baixa 1 5 85 95 Fonte adaptada de DIESELDUCK 2014 Resolução da situaçãoproblema Entre as opções da Tabela 46 os conversores recomendados para operar carga sensível ao ruído são aqueles com baixo TDH cuja onda na saída é senoidal Dessa forma os mais adequados são os multiníveis Entre os conversores multiníveis os de baixa frequência e os híbridos possuem frequência de comutação acima de 90 Como a aplicação requer uma elevada frequência de comutação a melhor opção seria o conversor multinível híbrido U4 Inversores de tensão 224 Devido a complexidade e ao número de dispositivos semicondutores adicionados os inversores multinível são atualmente mais adequados para aplicações de alta potência Estes conversores reduzem os harmônicos portanto possuem uma eficiência melhor em comparação aos outros conversores Faça valer a pena 1 Os inversores são amplamente usados em sistemas eólicos e fotovoltaicos fornecendo sinais na forma de onda quadrada onda senoidal modificada ou onda senoidal pura Enquanto os inversores de onda senoidal são os mais usados os inversores de onda quadrada são muito raramente utilizados na prática Com relação às opções abaixo qual descreve corretamente um motivo do inversor de onda quadrada ser pouco usado na prática a Possui componentes de 3º e 5º harmônicos relativamente grandes b Possui estrutura complexa assim requer um filtro de terceira ordem c Possui muitos componentes e são muito caros d Possui corrente de fuga elevada o que reduz o tempo de vida dos conversores e Possui eficiência típica inferior a 30 tornandoo inviável na maioria das aplicações 2 Os inversores possuem uma grande variedade de topologias atualmente Cada fabricante desenvolve seus dispositivos com a finalidade de atender às diferentes aplicações de modo que eles apresentam desempenhos diferentes Na seleção de um inversor é fundamental que possua um desempenho adequado para operar as cargas específicas de um projeto Assim são consideradas duas etapas na seleção do inversor Qual das opções seguintes indica as duas etapas consideradas na seleção de um conversor CCCA para uma aplicação específica a Calcular a potência total e determinar as características da carga b Avaliar a temperatura e a eficiência do conversor c Estimar a corrente de fuga e a corrente quiescente no conversor d Calcular a faixa de corrente na entrada e tamanho do capacitor e Avaliar a tensão de overshoot e ruído na tensão de saída do conversor U4 Inversores de tensão 225 3 O filtro LC é um filtro de segunda ordem que dá uma atenuação de 40 dB década Uma vez que o filtro L resulta em uma baixa atenuação dos componentes de chaveamento do inversor é necessário um capacitor para atenuar ainda mais a distorção harmônica Este componente deve ser selecionado para produzir baixa reatância na frequência de comutação Mas nessa faixa de frequência esse elemento deve apresentar uma impedância de grande magnitude EM um conversor CCCA pretendese usar um filtro de segunda ordem com a finalidade de reduzir a distorção harmônica de saída Sabendo que a frequência de ressonância f 0 é de 200 Hz e o indutor de 10 mH calcule a capacitância a ser usada no filtro a 63 32 µF b 54 32 µF c 44 32 µF d 22 32 µF e 14 32 µF AHMED A Eletrônica de potência São Paulo PrenticeHall 2000 DIESELDUCK A review of inverter design and topologies Disponível em http wwwdieselduckinfomachine0420auxiliary200020Inverter20technology pdf Acesso em 19 jan 2018 HART Daniel W Eletrônica de potência análise e projetos de circuitos Porto Alegre Bookman 2012 MOHAN N UNDELAND T M ROBBINS W P Power electronics converters applications and design 3nd ed New York NY J Wiley 2003 PV SYSTEM Charge controllers Disponível em httpslideplayercom slide5299176 Acesso em 13 abr 2018 RASHID M H Eletrônica de potência circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron 1999 SOLARENERGY Advances in Inverter Technology Disponível em https wwwaltenergymagcomarticle201608advancesininvertertechnology24319 Acesso em 8 jan 2018 SOLARPOWER Solar power Disponível em httpwwwicglobalsystemcom ecommerce9html Acesso em 19 jan 2018 Referências Referências Referências Referências Referências Referências Referências KLS CIRCUITOS ANALÓGICOS Circuitos Analógicos