At Eletrônica de Potência

Campus Natal Zona Norte Prof Jefferson Pereira da Silva Apostila de Eletrônica de Potência INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 1 Índice 1 Eletrônica de potência 2 11 Definição 2 12 Chaves semicondutoras de potência 2 13 Tipos de circuitos de eletrônica de potência 2 14 Aplicações da eletrônica de potência 2 2 Dispositivos de potência características e funcionamento 3 21 Diodos de potência 3 22 Transistor bipolar de junção TJB 5 23 Transistor de efeito de campo metalóxidosemicondutor MOSFET 6 24 Transistor bipolar de porta isolada IGBT 7 25 Retificador controlado de silício SCR 8 26 TRIAC 13 3 Dispositivos e circuitos de disparo 15 31 DIAC 15 32 Transistor de unijunção UJT 15 33 Oscilador de relaxação com UJT 16 34 CIs para disparo 18 4 Dispositivos de proteção e circuitos 19 41 Varistores 19 42 Fusíveis 20 43 Transformadores de pulso 21 44 Acopladores ópticos 23 5 Conversores ACDC retificadores 24 51 Retificadores monofásicos não controlados 24 52 Retificadores monofásicos controlados 25 6 Conversores DCDC choppers 28 61 Choppers stepdown buck 29 62 Choppers stepup boost 30 63 Choppers buckboost 32 7 Conversores DCAC inversores 34 71 Funcionamento de inversores monofásicos 36 8 Chaves estáticas 37 81 Definição e aplicações 37 82 Comparação com relés eletromecânicos 38 83 Relé de estado sólido SSR 39 9 Bibliografia 41 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 2 1 Eletrônica de Potência 11 Definição A eletrônica de potência trata das aplicações de dispositivos semicondutores de potência como tiristores e transistores na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência aplicados à indústria Essa conversão é normalmente de AC para DC ou viceversa enquanto os parâmetros controlados são tensão corrente e frequência Portanto a eletrônica de potência pode ser considerada uma tecnologia interdisciplinar que envolve três campos básicos a potência a eletrônica e o controle 12 Chaves semicondutoras de potência As chaves semicondutoras de potência são os elementos mais importantes em circuitos de eletrônica de potência Os principais tipos de dispositivos semicondutores usados como chaves em circuitos de eletrônica de potência são Diodos Transistores bipolares de junção BJTs Transistores de efeito de campo metalóxidosemicondutor MOSFETs Transistores bipolares de porta isolada IGBTs Retificadores controlados de silício SCRs Triacs 13 Tipos de circuitos de eletrônica de potência Os circuitos de eletrônica de potência ou conversores como são usualmente chamados podem ser divididos nas seguintes categorias 1 Retificadores não controlados AC para DC converte uma tensão monofásica ou trifásica em uma tensão DC e são usados diodos como elementos de retificação 2 Retificadores controlados AC para DC converte uma tensão monofásica ou trifásica em uma tensão variável e são usados SCRs como elementos de retificação 3 Choppers DC DC para DC converte ums tensão DC fixa em tensões DC variáveis 4 Inversores DC para AC converte uma tensão DC fixa em uma tensão monofásica ou trifásica AC fixa ou variável e com frequências também fixas ou variáveis 5 Conversores cíclicos AC para AC converte uma tensão e frequência AC fixa em uma tensão e frequência AC variável 6 Chaves estáticas AC ou DC o dispositivo de potência SCR ou triac pode ser operado como uma chave AC ou DC substituindo dessa maneira as chaves mecânicas e eletromagnéticas tradicionais 14 Aplicações da Eletrônica de Potência A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pela variação da tensão de alimentação com o uso de um transformador variável ou pela inserção de um regulador como uma chave Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves têm a vantagem do porte pequeno do custo baixo da eficiência e da utilização para o controle automático da potência INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 3 A aplicação de dispositivos semicondutores em sistemas elétricos de potência vem crescendo incessantemente Os dispositivos como diodo de potência transistor de potência SCR TRIAC IGBT etc são usados como elementos de chaveamento e controle de fornecimento de energia de máquinas e motores elétricos Dentre as aplicações cotidianas mais comuns se destaca o controle microprocessado de potência Fig 01 Controle microprocessado de potência Os equipamentos de informática tais como a fonte de alimentação chaveada do PC o estabilizador o nobreak etc utilizam como elementos principais dispositivos semicondutores chaveadores Mosfets IGBTs TJBs etc Fig 02 Nobreak Fig 03 Fonte Chaveada de PC 2 Dispositivos de potência características e funcionamento 21 Diodos de potência O material ativo mais comum para a construção do diodo é o silício um material semicondutor ou seja classificado entre o isolante e o condutor cuja resistência decresce com o aumento da temperatura O silício é um elemento do grupo IV da tabela periódica e tem quatro elétrons na última órbita em sua estrutura atômica Se a ele for acrescido um elemento pentavalente com cinco elétrons na última órbita haverá um elétron livre na estrutura do cristal O elétron livre possibilita um grande aumento na INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 4 condução e como o elétron é uma carga negativa esse material é conhecido como semicondutor tipo N Se ao silício for acrescentada uma impureza trivalente um elemento com três elétrons na sua última órbita surge um vazio ou lacuna na estrutura cristalina que pode receber um elétron Esse vazio pode ser considerado uma carga positiva conhecida como lacuna e possibilita um grande aumento na condução esse material dopado é conhecido como semicondutor tipo P O grau de dopagem adição de impurezas é da ordem de 107 átomos Em semicondutores tipo N a maioria dos portadores de corrente é de elétrons e a minoria é de lacunas O contrário aplicase a semicondutor tipo P Dependendo da dopagem a condutividade do semicondutor tipo N ou P é aumentada muito se comparada ao silício puro O diodo mostrado abaixo é formado pela junção dos materiais dos tipos N e P Desta forma só há passagem de corrente elétrica quando for imposto um potencial maior no lado P do que no lado N Devido a uma barreira de potencial formada nesta junção V é necessária uma ddp com valor acima de 06V em diodos de sinal para que haja a condução Em diodos de potência esta tensão necessária gira em torno de 1 a 2V Figura 04 Símbolo do diodo Na figura 05 vemos o aspecto físico de um diodo de potência caracterizado pelo anodo rosqueado Figura 05 Aspecto físico do diodo de potência Principais valores nominais para os diodos Tensão de pico inversa PIV O valor nominal da tensão de pico inversa peak inverse voltage PIV é a tensão inversa máxima que pode ser ligada nos terminais do diodo sem ruptura Se for excedido a PIV nominal o diodo começa a conduzir na direção inversa e pode ser danificado no mesmo instante Os valores nominais da PIV são de dezenas a milhares de volts dependendo do tipo do diodo Os valores nominais da PIV são também chamados de tensão de pico reversa PRV ou tensão de ruptura VBR INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 5 Corrente direta média máxima IfavgMax A corrente direta média máxima é a corrente máxima que um diodo pode aguentar com segurança quando estiver diretamente polarizado Os diodos de potência estão disponíveis com valores nominais que vão desde alguns poucos a centenas de ampères Tempo de recuperação reverso trr O tempo de recuperação reverso de um diodo é bastante significativo em aplicações de chaveamento em alta velocidade Um diodo real não passa em um único instante do estado de condução para o estado de nãocondução Nesse momento uma corrente inversa flui por breve período e o diodo não desliga até que a corrente inversa caia a zero O intervalo durante o qual a corrente inversa flui é denominado de tempo de recuperação reverso Durante este período são removidos os portadores de carga armazenados na junção quando a condução direta cessou Os diodos são classificados como de recuperação rápida e lenta com base nos tempos de recuperação Esses tempos vão da faixa de microssegundos nos diodos de junção PN a várias centenas de nanossegundos em diodos de recuperação rápida como o Schottky Os diodos de recuperação rápida são utilizados em aplicações de alta frequencia tais como inversores choppers e nobreaks A figura abaixo mostra um caso onde o diodo conduzia a corrente direta IF e que depois de desligado existe um tempo em que a corrente flui no sentido inverso IRR Figura 06 Tempo de recuperação reverso Temperatura máxima da junção TjMax Este parâmetro define a temperatura máxima que o diodo pode suportar na junção sem apresentar defeito As temperaturas nominais de diodos de silício estão normalmente na faixa de 40ºC a 200ºC A operação em temperaturas mais baixas costuma resultar em um desempenho melhor Os diodos são em geral montados em dispositivos dissipadores de calor para que haja melhora nas condições nominais de temperatura Corrente máxima de surto IFSM O valor nominal da corrente direta máxima de surto é a corrente máxima que o diodo pode suportar durante um transitório fortuito ou diante de um defeito no circuito 22 Transistor bipolar de junção TJB Um transistor bipolar é um dispositivo de três camadas P e N PNP ou NPN cujos símbolos são mostrados na figura 07 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 6 Figura 07 Transistor bipolar de junção A figura seguinte mostra as correntes e tensões inerentes aos dois tipos de TJBs Figura 08 Correntes e tensões no TJB Aplicandose as leis de Kirchoff para corrente e tensão teremos as seguintes equações NPN ou PNP IE IC IB NPN ou PNP IC IB NPN VCE VBE VCB PNP VEC VEB VBC Para o TJB trabalhar como chave eletrônica é preciso polarizálo nas regiões de corte e saturação e como amplificador na região ativa De modo geral o TJB de potência segue os mesmos parâmetros do transistor de sinal Algumas características são próprias devido aos níveis de correntes e tensões que o dispositivo trabalha por exemplo a o ganho varia entre 15 e 100 b operação como chave variando entre os estados de corte e saturação c tensão e corrente máximas de coletor de 700V e 800A respectivamente d tensão de saturação é de 11V para um transistor de silício e tensão de bloqueio reverso entre coletor e emissor em torno de 20V de modo que o impede de trabalhar em AC 23 Transistor de efeito de campo metalóxidosemicondutor MOSFET O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico MOSFET de potência é um dispositivo para uso como chave em níveis de potência Os terminais principais são o dreno e a fonte com a corrente fluindo do dreno para a fonte e sendo controlada pela tensão entre a porta e a fonte Abaixo é mostrado o símbolo do MOSFET INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 7 Figura 09 Símbolo do MOSFET O MOSFET é um transistor de chaveamento rápido caracterizado por uma alta impedância de entrada apropriado para potências baixas até alguns quilowatts e para aplicações de alta frequência até 100kHz Um MOSFET tem aplicações importantes em fontes de alimentação chaveadas nas quais frequências altas de chaveamento subentendem componentes menores e mais econômicos além de motores de baixa velocidade de controle que utilizem modulação por largura de pulso PWM ver item 6 Os MOSFETs estão disponíveis no mercado nos tipos canal N e canal P Entretanto os dispositivos em canal N têm valores nominais de corrente e tensão mais altos A figura 08 mostra a simbologia de um dispositivo em canal N Devido à alta resistência de porta a corrente de controle é praticamente nula propiciando um controle de condução entre dreno e fonte a partir de uma tensão aplicada no terminal de porta Ainda pela baixíssima necessidade de corrente de controle é possível comutar a condução do MOSFET através de circuitos microcontrolados O MOSFET é bem mais rápido nas comutações que o TJB entretanto fornece mais perdas de condução na saturação O MOSFET infelizmente sozinho não consegue bloquear uma tensão reversa entre dreno e fonte Isto de deve ao um diodo acoplado internamente a sua estrutura em antiparalelo Este diodo é chamado de diodo de corpo e serve para permitir um caminho de retorno para a corrente para a maioria das aplicações de chaveamento Este diodo é visto na figura 10 Figura 10 Detalhe do diodo de corpo 24 Transistor bipolar de porta isolada IGBT O transistor bipolar de porta isolada IGBT mescla as características de baixa queda de tensão de saturação do TJB com as excelentes características de chaveamento e simplicidade dos circuitos de controle da porta do MOSFET O símbolo do IGBT é mostrado a seguir INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 8 Figura 11 Símbolo do IGBT Os IGBTs substituem os MOSFETS em aplicações de alta tensão nas quais as perdas na condução precisam ser mantidas em valores baixos Embora as velocidades de chaveamento dos IGBTs sejam maiores até 50 kHz do que as dos TJBs são menores que as dos MOSFETs Portanto as frequências máximas de chaveamento possíveis com IGBT ficam entre as dos TJBs e as dos MOSFETs Ao contrário do que ocorre no MOSFET o IGBT não tem qualquer diodo reverso interno Assim sua capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim A tensão inversa máxima que ele pode suportar é de menos de 10 V 25 Retificador controlado de silício SCR O SCR é um dispositivo de três terminais chamados de anodo A catodo K e gatilho G como mostra a figura a seguir Figura 12 Retificador controlado de silício A seguir vemos o aspecto físico mais comum do SCR de potência A figura mostra o anodo sendo o terminal rosqueado e dois rabichos o catodo mais grosso e o gatilho mais fino Figura 13 Aspecto físico do SCR de potência Podemos considerar o SCR um diodo controlado pelo terminal de gatilho No SCR apesar da tensão ser positiva o mesmo ainda permanece bloqueado corrente nula Só quando for aplicado um pulso de gatilho é que o SCR passará a conduzir corrente INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 9 comportandose como um curtocircuito Para observar este fato melhor é mostrada a curva deste dispositivo Características e parâmetros Observandose a curva da figura 14 podese distinguir três regiões Polarização reversa com VAK0 praticamente não há corrente reversa A corrente reversa depende do tipo de SCR Nos de baixa corrente a corrente reversa é da ordem de dezenas a centenas de A e nos de alta corrente a corrente reversa pode chegar a centenas de mA Polarização direta em bloqueio nesta região há várias curvas parametrizadas pela corrente de gatilho IG Quando IG 0 o SCR permanece bloqueado desde que a tensão seja inferior a VBO tensão de disparo ou breakover voltage Quando VAK VBO o SCR dispara e a corrente cresce sendo limitada pela resistência de carga colocada em série com o SCR Polarização direta em condução para que o SCR permaneça nesta região é necessário que a corrente de anodo atinja um valor mínimo de disparo IL latching current ou corrente de disparo Caso esse valor não seja atingido após o disparo o SCR volta ao estado de bloqueio Figura 14 Curva característica do SCR Pela curva do SCR vêse que quanto maior o valor da corrente de gatilho tanto menor a tensão VAK necessária para disparar o SCR Isso é verdade até o limite de IG IGT corrente de gatilho com disparo IGT é a mínima corrente de gatilho que garante o disparo do SCR com tensão direta de condução VT Com IGT aplicada é como se o SCR fosse um diodo Na região de polarização direta em condução a queda de tensão do dispositivo é em torno de 15V Após o disparo sendo estabelecida a condução IAIL a corrente de gatilho poderá ser removida que este continuará em condução O SCR só voltará ao bloqueio se a corrente IA cair abaixo de IH corrente de manutenção ou holding current ou se VAK 0 Métodos de acionamento O nível mínimo de tensão e corrente necessário para o disparo do SCR é uma função da temperatura da junção De maneira genérica quanto menor a temperatura de junção maior será a corrente e menor será a tensão necessária ao gatilhamento A corrente e tensão de gatilho estão sujeitas a um valor máximo mas no disparo devem ultrapassar um valor mínimo O produto entre a tensão e corrente de gatilho dá um nível de potência para o qual um máximo é estabelecido INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 10 Métodos de disparo sem aplicação do pulso de gatilho Além da aplicação do pulso de gatilho o SCR pode ser disparado de outras formas Normalmente esses disparos são indesejados pois em alguns casos podem destruir o dispositivo Disparo por sobretensão Se aumentarmos a tensão VAK a ponto de atingir o valor VBO o SCR entrará em condução mesmo sem a aplicação da corrente de gatilho Este processo de disparo nem sempre destrutivo raramente é utilizado na prática Disparo por variação de tensão Um capacitor armazena carga elétrica e a corrente que carrega o capacitor relacionase com a tensão pela expressão t v C i Ou seja para haver variação de tensão no capacitor v em um intervalo de tempo t é necessário circular uma corrente i pelo capacitor Quando a variação de tensão é muito pequena e o intervalo de tempo muito pequeno essa expressão muda para dt i C dv Em um SCR polarizado diretamente na junção J2 existem íons positivos de um lado e íons negativos do outro Isto é como um capacitor carregado como mostra a figura 15 Figura 15 Detalhe do efeito capacitivo na junção do SCR Assim mesmo não havendo pulso no gatilho fechandose a chave CH1 a capacitância da junção J2 fará com que circule corrente de gatilho Como a variação é muito grande de zero para V a corrente resultante será muito grande Essa corrente poderá ser suficiente para estabelecer o processo de condução do SCR Esse disparo é normalmente indesejado e pode ser evitado pela ação de um circuito de proteção chamado de SNUBBER Este circuito é mostrado na figura 16 Figura 16 Circuito de proteção SNUBBER INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 11 Disparo por outros meios Há a possibilidade do SCR entrar no estado de condução sem a aplicação do pulso de gatilho por aumento de temperatura ou por intensidade de incidência de luz ou radiação no dispositivo No segundo caso há um dispositivo próprio chamado de LASCR Light Activated Silicon Controlled Rectifier Além do disparo por luz esse dispositivo também é acionado pelo gatilho Podemos ver na fig 17 os detalhes deste dispositivo Figura 17 Detalhes do LASCR Métodos de bloqueio Bloquear ou comutar um SCR significa cortar a corrente que ele conduz e impedir que ele retorna à condução Ou seja o bloqueio estará completo quando a corrente no sentido direto for anulada e a reaplicação de tensão direta entre anodo e catodo não provocar o retorno do SCR ao estado de condução Bloqueio natural Quando se reduz a corrente de anodo a um valor abaixo de IH chamada de corrente de manutenção holding current o SCR é bloqueado A corrente de manutenção tem um valor baixo normalmente cerca de 1000 vezes menor do que a corrente nominal do dispositivo Em circuito CA em algum momento a corrente passa pelo zero da rede levando o SCR ao bloqueio Exemplo Bloqueio pelo Zero da Rede Figura 18 Bloqueio pelo zero da rede Bloqueio forçado Em vez de aguardar a passagem de corrente pelo zero da rede para bloquear um SCR podese fazer o bloqueio através de dois meios 1º diminuir o fluxo de corrente direta para um valor abaixo de IH 2º aplicar tensão reversa INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 12 Após o bloqueio devese garantir que a tensão não seja reaplicada ao SCR imediatamente Isto restabeleceria o processo de condução do dispositivo A tensão reaplicada deve aumentar segundo um parâmetro dvdt definido nas folhas de dados fornecidos pelo fabricante Exemplo Bloqueio por Chave Figura 19 Bloqueio por chave Exemplo comentado Bloqueio por Capacitor Figura 20 Bloqueio por capacitor Com CH1 e CH2 abertas o SCR está bloqueado a lâmpada apagada e o capacitor descarregado Fechandose CH1 alimentase o circuito de gatilho O SCR dispara e lâmpada acende Além da corrente da lâmpada o SCR conduz também a corrente de carga do capacitor C1 conforme se vê abaixo Figura 21 Processo de carga do capacitor C1 O capacitor carregase de forma exponencial com uma constante de tempo R1 C1 Ou seja passado um tempo correspondente a o capacitor carregase com aproximadamente 23 da tensão que o alimenta No caso deste circuito com cerca de 5 o capacitor estará totalmente carregado com 12V Se CH2 for fechada a tensão acumulada no capacitor polarizará reversamente o SCR levandoo ao bloqueio de acordo com a figura 22 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 13 Figura 22 Polarização reversa do SCR através do capacitor 26 TRIAC Para se evitar a necessidade de utilização de dois SCRs em antiparalelo foi desenvolvido o TRIAC TRI triodo ou dispositivo de três terminais e AC corrente alternada formam o nome deste elemento cuja principal característica é permitir o controle de passagem de corrente alternada O símbolo é dado por Figura 23 Símbolo do triac Características e parâmetros Sua curva característica é mostrada a seguir Figura 24 Curva característica do triac Pela curva característica podese observar que o TRIAC pode conduzir nos dois sentidos de polarização INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 14 As condições de disparo são análogas ao do SCR Podendo ser disparado com corrente de gatilho positiva ou negativa Em condução apresentase quase como um curtocircuito com queda de tensão entre 1V e 2V Os terminais são chamados de anodo 1 A1 ou MT1 anodo 2 A2 ou MT2 e gatilho G O TRIAC pode ser disparado em qualquer polaridade de tensão e sentido de corrente desta forma ele opera nos quatro quadrantes tomandose o terminal A1 como referência Vê se este fato na figura 25 Figura 25 Quadrantes de polarização do triac A sensibilidade ao disparo varia conforme o quadrante em função das diferenças nos ganhos de amplificação em cada caso Normalmente o primeiro quadrante é o de maior sensibilidade ao disparo e o quarto o de menor O TRIAC em corrente alternada Os circuitos a seguir mostram como exemplo aplicações simples do TRIAC em corrente alternada a Controle em OndaCompleta com TRIAC Figura 26 b Controle de Potência numa carga Figura 27 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 15 3 Dispositivos e circuitos de disparo 31 DIAC Quando o TRIAC é usado como dispositivo de controle é frequentemente utilizado um DIAC como dispositivo de disparo conforme pode ser visto na figura 28 Figura 28 Controle de disparo com DIAC O DIAC Diode Alternative Currente é uma chave bidirecional disparada por tensão Normalmente a tensão de disparo dos DIACs ocorre entre 20 e 40V A sua curva característica está mostrada a seguir junto com seus símbolos mais utilizados Figura 29 Detalhes do DIAC No circuito da figura 28 a rede R1 R2 e C1 defasa a tensão sobre C1 O capacitor se carrega até atingir a tensão VD de disparo do DIAC Quando isso ocorre o DIAC entra em condução e cria um caminho de baixa impedância para o capacitor descarregarse sobre o gatilho do TRIAC A corrente de descarga do capacitor é suficientemente elevada para conseguir disparar TRIACs de baixa potência mesmo com valores relativamente baixos de capacitância 32 Transistor de unijunção UJT O UJT é um dispositivo semicondutor de três terminais com apenas uma junção PN A estrutura física e a simbologia do UJT são mostradas na figura 30 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 16 Figura 30 Detalhes do UJT Para facilitar a análise do funcionamento do UJT é utilizado o circuito visto a seguir Figura 31 Circuito equivalente do UJT Na figura acima o diodo representa a junção PN do emissor O caminho B2B1 Base 2 e Base 1 é dividido em duas partes a primeira rb2 que é a resistência entre o ponto central x e o terminal B2 e a segunda formada por uma resistência fixa rs e outra variável rn sendo rb1 rs rn A soma das resistências rbb rb1 rb2 corresponde à resistência da barra entre os terminais B1 e B2 33 Oscilador de relaxação com UJT O circuito tradicional de disparo usando o UJT é chamado de oscilador de relaxação mostrado na figura 32 Figura 32 Oscilador de relaxação O UJT tem dois parâmetros importantes Tensão de Disparo VP e Tensão de Vale VV O primeiro diz o valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminho entre o emissor E e a base 1 B1 O segundo informa o valor de tensão que após a entrada em condução INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 17 bloqueia o citado caminho Em outras palavras estes parâmetros indicam o início e o fim do disparo do UJT Analisando o circuito da figura 32 vamos considerar inicialmente o capacitor descarregado Ao ligarmos a fonte VBB ao circuito o capacitor começará a se carregar exponencialmente Enquanto o valor da tensão do capacitor não alcançar o valor do parâmetro VP o UJT estará bloqueado isto é passará uma pequena corrente pelo caminho entre os terminais de base Esta corrente por sua vez irá produzir uma pequena queda de tensão no resistor RB1 No momento que a tensão do capacitor atinge o parâmetro VP o UJT começará a conduzir através do caminho emissor e base1 Neste instante inicial de condução a resistência interna deste caminho é baixíssima proporcionando a elevação da corrente e ao mesmo tempo a descarga do capacitor É o que chamamos de resistência negativa Este surto de corrente inicial é transitório pois a resistência do caminho EB1 tornase gradativamente maior até o ponto em que a tensão do capacitor cai até o parâmetro VV Deste modo o UJT sai de condução proporcionando uma nova recarga do capacitor O circuito portanto é oscilatório sendo as formas de onda de VE VB1 e VB2 como mostradas abaixo Figura 33 Sinais de tensão no oscilador de relaxação Em B1 aparece um pulso de tensão que é utilizado para o disparo de SCRs e TRIACs conforme ilustra o circuito da figura 34 Figura 34 Geração de pulsos de disparo de tiristores através do oscilador de relaxação INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 18 34 CIs para disparo Há circuitos integrados CIs específicos ou não para esta finalidade que geram sinais de tensão e corrente direcionados ao disparo de tiristores Estes sinais são periódicos e podem ser controlados em termos de frequência e amplitude São comumente utilizados para o controle de pulsos de disparos de tiristores dispositivos como microcontroladores processadores digitais de sinais DSPs e principalmente o CI TCA 785 produzido pela Siemens Circuito integrado TCA 785 A grande utilização de circuitos tiristorizados associada à similaridade dos circuitos de disparo deu margem ao aparecimento de circuitos integrados de disparo A finalidade desses circuitos é a de facilitar o projeto de circuitos de disparo e tornálos mais compactos e confiáveis Em muitos aparelhos usados industrialmente destacase a utilização do CI TCA 785 da Siemens A figura 35a mostra a pinagem e a figura 35b o diagrama de blocos do TCA 785 Figura 35a Figura 35b De acordo com os valores dos componentes externos ao TCA 785 podese gerar pulsos para acionar tiristores com controle do ângulo de disparo sincronizados com a rede elétrica 60 Hz A largura dos pulsos pode ser de 30s ou de 180º como mostrado na figura 36 Esta figura ainda mostra que o ângulo de disparo é controlado basicamente pelo tempo de carga do capacitor CR e pelo valor da tensão de controle VC O pulso largo 180º serve para disparar tiristores em cargas altamente indutivas onde a corrente de gatilho necessita de um tempo maior para garantir a condução do tiristor INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 19 Figura 36 Sinais de tensão do TCA 785 Para um aprofundamento nas características do TCA 785 consulte o livro Estude e Use Dispositivos Semicondutores Tiristores 3 4 Dispositivos de proteção e circuitos 41 Varistores Um varistor ou VDR do inglês Voltage Dependent Resistor é um componente eletrônico cujo valor de resistência elétrica é uma função da tensão aplicada nos seus terminais Isto é a medida que a diferença de potencial sobre o varistor aumenta sua resistência diminui Os VDRs são geralmente utilizados como elemento de proteção contra transientes de tensão em circuitos tal como em filtros de linha Assim eles montados em paralelo ao circuito que se deseja proteger por apresentarem uma característica de limitador de tensão impedindo que surtos de pequena duração cheguem ao circuito e no caso de picos de tensão INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 20 de maior duração a alta corrente que circula pelo dispositivo faz com que o dispositivo de proteção disjuntor ou fusível desarme desconectando o circuito da fonte de alimentação Figura 37 Varistor utilizado como proteção contra surtos de tensão 42 Fusíveis Os fusíveis são dispositivos que protegem os circuitos elétricos contra danos causados por sobrecargas de corrente que podem provocar até incêndios explosões e choques elétricos Os fusíveis são aplicados geralmente nos circuitos domésticos e na indústria leve O funcionamento do fusível baseiase no princípio segundo o qual uma corrente que passa por um condutor gera calor proporcional ao quadrado de sua intensidade Quando a corrente atinge a intensidade máxima tolerável o calor gerado não se dissipa com rapidez suficiente derretendo um componente e interrompendo o circuito O tipo mais simples é composto basicamente de um recipiente tipo soquete em geral de porcelana cujos terminais são ligados por um fio curto elemento fusível que se derrete quando a corrente que passa por ele atinge determinada intensidade O chumbo e o estanho são dois metais utilizados para esse fim O chumbo se funde a 327º C e o estanho a 232º C Se a corrente for maior do que aquela que vem especificada no fusível 10A 20A 30A etc o seu filamento se funde derrete Figura 38 Fusível de uso geral esquerda e utilizado em automóveis direita O fusível de cartucho manufaturado e lacrado em fábrica consiste de um corpo oco não condutivo de vidro ou plástico cujo elemento condutor está ligado interiormente a duas cápsulas de metal e os terminais são localizados nas extremidades figura 39 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 21 Figura 39 Fusível de cartucho 43 Transformadores de Pulso Os transformadores de pulso são especialmente projetados para transmitir os pulsos de disparo aos tiristores A figura abaixo dá um exemplo de utilização de transformador de pulso num circuito de disparo com UJT Figura 40 Uso do Trafo de pulso para isolação de pulsos de disparo O projeto dos transformadores de pulso deve atender a algumas condições entre as quais a de o acoplamento entre primário e secundário deve ser o mais perfeito possível É que no disparo a corrente injetada no gatilho propagase transversalmente no material semicondutor do SCR Durante essa propagação as áreas atingidas vão se tornando condutoras deixando circular a corrente de anodo A figura seguinte simboliza a propagação da área condutora Figura 41 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 22 Se o acoplamento não for adequado durante o disparo a área condutora pode não se espalhar rapidamente fazendo com que a corrente de anodo se concentre toda em uma área pequena É o que chamamos de ponto quente Isto tende a queimar o SCR Quando a carga for indutiva haverá um intervalo entre o instante de disparo e o momento em que realmente o SCR entrará em condução Desta forma devese manter o pulso aplicado por um intervalo de tempo razoável para garantir que o SCR esteja em condições de disparo no momento adequado Isto resulta em pulsos largos que tendem a saturar o núcleo do transformador de pulso Para evitar essa saturação usase um esquema chamado de disparo por pulsos de alta frequência O pulso largo é transformado em um trem de pulsos de alta frequência conforme visto abaixo Figura 42 Trem de pulsos para minimizar a saturação do Trafo de pulso A tensão VGD é o pulsou tensão de gatilho desejada Tratase de uma tensão de baixa frequência que tende a saturar o transformador e distorcer a tensão aplicada ao gatilho A tensão VGP é uma tensão com envoltória VGD e possui alta frequência quando há necessidade de se aplicar pulso no gatilho Para exemplificar este método vejamos a figura 43 na página seguinte INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 23 Figura 43 Circuito utilizando o Trafo de pulso O circuito acima utiliza o CI 555 montado na sua configuração astável gera um sinal de alta frequência 5 a 10 kHz em sua saída pino 3 cujo valor depende de R1 R2 e C1 Após passar pela porta lógica AND o sinal é amplificado pelo transistor e acoplado ao SCR através do transformador de pulso O diodo D1 evita que apareçam sobretensões no transistor quando este cortar Neste instante a energia armazenada no núcleo do transformador é dissipada pelo resistor de 33 No secundário do transformador D2 retifica os pulsos impedindo que seja aplicada tensão negativa ao gatilho do SCR 44 Acopladores Ópticos Outra maneira de isolar pulsos de disparo é através de um LED infravermelho e um fotodetector O fotodetector pode ser um transistor ou até um SCR ou TRIAC arranjados num mesmo invólucro A figura seguinte ilustra duas possibilidades Figura 44 Acopladores ópticos O inconveniente em usar acopladores ópticos com transistor é a necessidade de uma fonte adicional para polarizar o circuito de coletor do transistor e fornecer a corrente de gatilho INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 24 O exemplo abaixo utiliza o MOC3011 da Motorola para acionar uma carga resistiva via um TRIAC Figura 45 Detalhe do MOC3011 Desejando acionar o TRIAC Q1 o sistema digital deve fornecer nível lógico 1 à entrada de controle da porta NAND Assim o pino 2 do MOC3011 vai para nível lógico 0 e o LED D2 fica polarizado diretamente disparando o fotodetector Q2 e como conseqüência o TRIAC Q1 5 Conversores ACDC retificadores 51 Retificadores monofásicos não controlados A retificação é o processo de converter tensão e corrente alternadas em tensão e corrente contínuas Um retificador não controlado usa apenas diodos como elementos de retificação A amplitude da tensão de saída DC é determinada pela amplitude da tensão de alimentação AC Entretanto a saída da tensão DC contém componentes AC significativas as quais recebem o nome de ondulação Para eliminar a ondulação costumase inserir um filtro capacitivo após o retificador Os tipos de retificador não controlados e estudados na disciplina de Eletrônica Analógica são o meiaonda onda completa com derivação tap central e onda completa em ponte Figura 46a Retificado meiaonda Figura 46b Retificado OC com tap central Figura 46c Retificado OC em ponte Figura 46d Retificado OC em ponte com filtro capacitivo INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 25 52 Retificadores Monofásicos Controlados Os circuitos retificadores são aqueles que transformam um sinal AC em um sinal DC não constante Eles podem ser não controlados e controlados Os primeiros utilizam os diodos semicondutores de potência como elementos retificadores não havendo portanto controle do ângulo de disparo Os retificadores controlados têm como elementos retificadores geralmente os SCRs possibilitando o controle do ângulo de disparo e consequentemente o controle da potência entregue à carga Neste material estudaremos os retificadores controlados de meia onda e de onda completa Retificador controlado de meia onda A figura 47 mostra um circuito retificador de meia onda com carga resistiva Figura 47 Retificador de meia onda monofásico controlado com carga resistiva O comportamento das tensões e corrente de carga é mostrado a seguir Figura 48 Comportamento da tensão e corrente na carga resistiva INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 26 Observase que durante o semiciclo positivo o SCR ficará diretamente polarizado e conduzirá se o pulso de acionamento for aplicado ao gatilho Se o SCR passar a conduzir instante t0 uma corrente fluirá na carga e a tensão de saída V0 será aproximadamente igual à tensão de entrada No instante em que o semiciclo tornase igual a igual a zero o SCR cortará ficando assim até o próximo disparo no semiciclo positivo Neste semiciclo o ângulo em que o SCR fica bloqueado é chamado de ângulo de disparo e o ângulo em que fica conduzindo de ângulo de condução A figura 49 mostra um circuito retificador em meia onda com carga resistiva e indutiva caso mais comum Figura 49 Retificador controlado com carga resistiva e indutiva Se o SCR for acionado com um ângulo de disparo igual a a corrente na carga aumentará devagar uma vez que a indutância forçará a corrente se atrasar em relação à tensão A tensão na carga será positiva e o indutor estará armazenando energia em seu campo magnético Quando a tensão aplicada se tornar negativa o SCR ficará polarizado reversamente Entretanto a energia armazenada no campo magnético do indutor retornará e manterá uma corrente direta através da carga A corrente continuará a fluir até denominado de ângulo de avanço quando então o SCR entrará no estado de bloqueio A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão na carga ficará negativa Em consequência disso a tensão média na carga vai se tornar menor do que seria se a carga fosse uma resistência pura As formas de onda para este circuito são mostradas abaixo Figura 50 Comportamento da tensão e corrente na carga resistiva e indutiva Para cortar a porção negativa da tensão na carga instantânea e amenizar a ondulação da corrente de carga utilizase um diodo de retorno freewheeling diode ou FWD Este INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 27 diodo tem por função dissipar a energia armazenada no indutor durante o tempo em que o SCR estiver bloqueado O circuito com o FWD e as formas de onda estão mostrados nas figuras 51 e 52 Figura 51 Detalhe do diodo de retorno Figura 52 Comportamento da tensão e corrente na carga resistiva e indutiva com FWD Retificador controlado de onda completa Para as cargas resistivas iluminação incandescente aquecedores fornos etc como vimos há a necessidade de um diodo de retorno FWD pois não existe a princípio uma indutância Porém para efeito de dinamizar o nosso estudo iremos abordar neste tópico apenas cargas RL ou seja que necessitam de um diodo de retorno Um circuito retificador com carga RL e FWD é visto na figura 53 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 28 Figura 53 Retificador OC controlado com FWD No circuito na figura acima são disparados aos pares SCR1SCR4 e SCR2SCR3 com um ângulo de disparo igual a Os valores médios para a tensão e corrente na carga são o dobro dos valores do retificador de meia onda As formas de onda são mostradas abaixo Figura 54 Comportamento da tensão e corrente na carga resistiva e indutiva 6 Conversores DCDC choppers O conversor DCDC ou chopper é usado para obter uma tensão DC variável a partir de uma fonte de tensão DC constante O valor médio da tensão de saída varia quando se altera a proporção do tempo no qual a saída fica ligada à entrada Essa conversão pode ser obtida pela combinação de um indutor ou capacitor e um dispositivo de estado sólido que opere no modo de chaveamento em alta frequência INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 29 A técnica de chaveamento usada em choppers é denominada de PWM pulsewidth modulation modulação por largura de pulso Há dois tipos básicos de choppers step down ou buck e stepup ou boost Antes de sermos apresentados de fato aos circuitos choppers veremos a técnica de chaveamento PWM Neste método a largura do pulso alto TON varia enquanto o período de chaveamento total T é constante A figura 55 mostra como as formas de onda de saída variam à medida que o ciclo de trabalho tempo de duração de TON aumenta e por consequência o valor médio V average da tensão também aumenta Figura 55 Modulação por largura de pulsos PWM 61 Chopper stepdown buck O chopper stepdown buck se caracteriza pela tensão média de saída VO ser menor que a tensão de entrada VI A configuração básica deste tipo de chopper é mostrada abaixo Figura 56 Chopper buck Enquanto a chave S que pode ser qualquer elemento chaveador como SCR transistor bipolar MOSFET operando em PWM estiver fechada o diodo ficará polarizado reversamente e o indutor armazenando energia em forma de campo magnético Nesta situação temos que VoVi Quando a chave abrir a tensão VL tornase negativa impondo o diodo D ficar em condução até que a energia do indutor se descarregue ou que a chave S volte a fechar Nesta situação temos que VoVi pois a parcela relativa a VL diminui a soma VoVLVR A figura seguinte esclarece estes comportamentos INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 30 Figura 57 Funcionamento do chopper buck As formas de onda das correntes e tensões deste circuito são vistas na figura 58 Figura 58 Formas de onda no chopper buck 62 Chopper stepup boost No circuito boost a tensão de saída pode variar desde a fonte de tensão até diversas vezes a fonte de tensão O circuito básico deste chopper é mostrado na figura 59 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 31 Figura 59 Chopper boost Na fig 60 quando a chave S passar para o estado de condução o indutor ficará conectado à alimentação A tensão no indutor VL pulará no mesmo instante para a fonte de tensão Vi mas a corrente no indutor Ii aumentará de maneira linear e armazenará energia no campo magnético Quando a chave for aberta a corrente cairá de forma violenta e a energia armazenada no indutor será transferida para o capacitor através do diodo D A tensão induzida no indutor VL mudará de polaridade somandose à fonte de tensão para aumentar a tensão de saída VO mesma tensão do capacitor Portanto a energia armazenada no indutor será liberada para a carga Quando S for fechada D se tornará inversamente polarizado a energia do capacitor fornecerá a tensão na carga e o ciclo se repetirá Figura 60 Funcionamento do chopper boost As formas de onda deste circuito são mostradas na fig 61 da página seguinte INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 32 Figura 61 Formas de onda no chopper boost 63 Chopper buckboost O circuito chopper buckboost combina os conceitos dos choppers anteriores A tensão de saída pode ser mais alta igual ou menor que a tensão de entrada Uma inversão de polaridade na tensão de saída também pode ocorrer Como visto nas situações anteriores a chave pode ser qualquer dispositivo de chaveamento controlado tal como um TJB ou IGBT Vemos na fig 62a a configuração do chopper buckboost Quando a chave S estiver ligada o diodo D ficará inversamente polarizado e iD será nula O circuito pode ser simplificado como mostra a fig 62b A tensão no indutor é igual à tensão de entrada e a corrente no indutor iL aumenta de modo linear com o tempo Quando S estiver desligada a fonte será desconectada A corrente no indutor não poderá variar de imediato logo polarizará o diodo diretamente e fornecerá um caminho para a corrente na carga A tensão de saída se tornará igual à tensão no indutor O circuito pode ser simplificado como mostra a fig 62c As formas de onda de tensão e de corrente são apresentadas na fig 63 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 33 Figura 62 Diagrama e funcionamento do chopper buckboost INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 34 Figura 63 Formas de onda no chopper buckboost 7 Conversores DCAC inversores Os inversores são circuitos estáticos isto é não têm partes móveis que convertem potência DC em potência AC com a frequência e tensão ou corrente de saída desejada A tensão de saída tem uma forma de onda periódica que embora nãosenoidal pode com uma boa aproximação chegar a ser considerada como tal Dentre os vários tipos de inversores destacamos os de fonte de tensão VSI Voltage source inverters que são utilizados nas fontes de tensão de funcionamento contínuo UPS Uninterruptible power supplies O circuito básico para gerar um sinal AC a partir de um DC monofásico é mostrado na figura seguinte INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 35 Figura 64 Esquema básico do inversor As chaves S1 e S2 ligam e desligam a fonte DC à carga de modo alternado o que produz uma forma de onda retangular de tensão AC O circuito anterior é chamado de inversor de meia ponte por ter apenas dois elementos chaveadores Uma vez que as chaves têm terminais positivo e negativo a combinação das duas chaves fornecem os quatro estados mostrados na figura 65 Figura 65 Estados das chaves no inversor Quando os estados 1 e 3 são repetidos de maneira alternada uma tensão de onda quadrada é gerada na carga como mostra a figura 66a Se os estados 2 e 4 que fazem a tensão na carga ficar em zero são usados obtémse uma onda em degrau ou forma de onda quase quadrada como pode ser observado na figura 66b Figura 66 Forma de onda de tensão na carga INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 36 71 Funcionamento de inversores monofásicos A figura 67 mostra um inversor monofásico com carga RL que usa SCRs como chaves A tensão de saída é uma forma de onda retangular com um ciclo de trabalho de 50 A forma de onda da corrente na saída tem forma exponencial Quando a tensão de saída for positiva a corrente crescerá exponencialmente Durante o ciclo seguinte quando a tensão de saída for negativa a corrente cairá exponencialmente A função dos diodos de retorno é fornecer um caminho de volta para a corrente de carga quando as chaves estiverem desligadas Logo após SCR2 e SCR3 passarem para o estado desligado em t0 por exemplo os diodos D1 e D4 irão ligar A corrente de carga começará em um valor negativo e crescerá exponencialmente a uma taxa dada pela constante de tempo da carga LR A fonte de corrente DC nesse período é invertida e flui de fato para a fonte DC Quando a corrente na saída chega a zero D1 e D4 passam para o estado desligado e SCR1 e SCR4 para o ligado A corrente continua a crescer e alcança o valor máximo em tT2 quando SCR1 e SCR4 passam para o estado desligado A tensão na saída se inverte mas a corrente na saída continua a fluir na mesma direção A corrente na saída somente pode fluir através dos diodos D2 e D3 que ligam a fonte DC à carga o que gera tensão inversa A energia armazenada no indutor retorna à fonte DC e a corrente na saída agora cai de seu valor máximo e chega a zero Logo que a corrente de carga parar SCR2 e SCR3 podem conduzir para fornecer potência à carga A corrente alcança seu valor máximo negativo em tT e o ciclo se repete A figura 68 apresenta as formas de onda de tensão e corrente Também mostrados nas formas de onda estão os dispositivos que conduzem durante os vários intervalos Observe na forma de onda da fonte de corrente indutor que esta fica positiva quando as chaves conduzem e quando há potência entregue pela fonte Mas se torna negativa quando os diodos conduzem e quando há potência absorvida pela fonte Figura 67 Inversor monofásico com carga resistiva e indutiva INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 37 Figura 68 Formas de onda de tensão e corrente 8 Chaves estáticas 81 Definições e aplicações Uma chave estática comuta a potência para a carga liga e desliga mas não a modifica em nenhum outro aspecto A característica duplamente estável dos dispositivos semicondutores como os tiristores isto é a existência de dois estados estáveis condução e não condução sugere que esses dispositivos podem ser usados como chaves sem contatos As aplicações no campo do chaveamento estático incluem chaves ligadesliga disjuntores relés de estado sólido contactores e outros semelhantes Um caso típico de operação de uma chave estática é a aplicação de tiristores no chaveamento de uma carga como observado na fig 69 Figura 69 Aplicações de chaves estáticas INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 38 82 Comparação com relés eletromecânicos Uma chave semicondutora oferece diversas vantagens em relação aos relés eletromecânicos e a outros dispositivos mecânicos de chaveamento Para a devida comparação vejamos o que são os relés eletromecânicos Relés Eletromecânicos A estrutura simplificada de um relé eletromecânico é mostrada na figura 70 Figura 70 Estrutura do relé eletromecânico Nas proximidades de um eletroimã é instalada uma armadura móvel que tem por finalidade abrir ou fechar um jogo de contatos Quando a bobina é percorrida por uma corrente elétrica é criado um campo magnético que atua sobre a armadura atraindoa Nesta atração ocorre um movimento que ativa os contatos os quais podem ser abertos ou fechados Isso significa que através de uma corrente de controle aplicada à bobina de um relé podemos abrir ou fechar os contatos de uma determinada forma controlando assim as correntes que circulam por circuitos externos Quando a corrente deixa de circular pela bobina do relé o campo magnético criado desaparece e com isso a armadura volta a sua posição inicial pela ação da mola Os relés se dizem energizados quando estão sendo percorridos por uma corrente em sua bobina capaz de ativar seus contatos e se dizem desenergizados quando não há corrente circulando por sua bobina A aplicação mais imediata de um relé com contato simples é no controle de um circuito externo ligando ou desligandoo conforme mostra a próxima figura Observe o símbolo usado para representar este componente Figura 71 Relé utilizado no acionamento de carga AC sob o comando de um sinal DC INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 39 Uma das características do relé é que ele pode ser energizado com correntes muito pequenas em relação à corrente que o circuito controlado exige para funcionar Isso leva a possibilidade de controlarmos circuitos de altas correntes como motores lâmpadas e máquinas industriais diretamente a partir de dispositivos eletrônicos fracos como transistores circuitos integrados fotoresistores etc A corrente fornecida diretamente por um transistor de pequena potência da ordem de 01A não conseguiria controlar uma máquina industrial um motor ou uma lâmpada mas pode ativar um relé e através dele controlar a carga de alta potência Outra característica importante dos relés é a segurança dada pelo isolamento do circuito de controle em relação ao circuito que está sendo controlado Não existe contato elétrico entre o circuito da bobina e os circuitos dos contatos do relé o que significa que não há passagem de qualquer corrente do circuito que ativa o relé para o circuito que ele controla Se o circuito controlado for de alta tensão por exemplo este isolamento pode ser importante em termos de segurança Chaves estáticas x Relés eletromecânicos Uma chave semicondutora oferece diversas vantagens em relação aos demais dispositivos de chaveamento Vejamos algumas 1 Propicia velocidades de chaveamento extremamente altas porque a chave liga de imediato 2 A operação é tranquila porque não há partes móveis e não ocorrem centelhas 3 A interferência eletromagnética EMI é minimizada 4 A vida útil é bem maior 5 É imune a vibrações e choques mecânicos 6 É pequena e leve 7 Pode ser controlada eletronicamente 8 O custo é baixo 9 Na comutação não há trepidação 10 Oferece maior segurança e confiabilidade 11 Oferece a possibilidade de controle à distância e de potência entregue à carga 83 Relés de estado sólido SSR Os SSRs diferem dos relés eletromecânicos pelo fato de não apresentarem partes mecânicas móveis A estrutura interna de um SSR é feita de semicondutores assim ele pode operar em grandes velocidades comparado a um relé eletromecânico Há duas categorias de SSRs módulos IO e chaves estáticas Ambas são largamente são largamente utilizadas na indústria sendo a primeira para baixas potências e empregada como interface entre o comando digital e pequenas cargas solenóides lâmpadas eletroválvulas etc As chaves estáticas possuem o mesmo princípio de funcionamento dos módulos IO porém são projetadas para operar com cargas de alta potência grandes motores por exemplo Os semicondutores que formam os SSRs podem ser TJBs MOSFETs SCRs e outros tantos Ainda há SSRs monofásicos e trifásicos que trabalham tanto em DC como em AC A figura seguinte mostra dois tipos de SSRs um com comando DC e o outro com comando AC Deve ser observada a isolação ótica entre o comando de entrada e a saída INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 40 Figura 72 Módulos IO de potência INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE APOSTILA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 41 9 Bibliografia 1 AHMED Ashfaq Eletrônica de PotênciaPrentice Hall 2000 2 LANDER Cyril W Eletrônica Industrial Teoria e Aplicações 2ª Edição MAKRON Books do Brasil Editora Ltda 1996 3 ALMEIDA José Luis Antunes de Estude e Use Dispositivos Semicondutores Tiristores Editora Érica