Trabalho. Eletrônica de potencia

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1 [MSG1] Comentário: Centro Universo de Educação e Desenvolvimento Trabalho Eletrônica de potencia Aluno: Curso: Técnico em Automação e Controle Industrial Professor: Henrique 2/5/09

2 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento 2 ÍNDICE 1 INTRODUÇÃO DIODO POLARIZAÇÃO DO DIODO POLARIZAÇÃO DIRETA POLARIZAÇÃO REVERSA (INVERSA) CURVAS CARACTERÍSTICA DO DIODO POLARIZAÇÃO DIRETA POLARIZAÇÃO REVERSA TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO (RI) RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA RETIFICADOR DE MEIA ONDA RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE TIRISTOR FUNCIONAMENTO DISPAROS DOS TIRISTORES SCR DIAC TRIAC GTO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

3 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento INTRODUÇÃO Este estudo foi elaborado para que compreenda melhor os fenômenos elétricos e suas aplicações na vida prática. Quando ligamos à televisão, o rádio ou o computador estará utilizando a eletricidade. Seria muito difícil imaginar o mundo de hoje sem esse fenômeno. Aqui estão contidas informações sobre diodo, tiristor, diac, triac, retificadores de meia onda e de onda completa. Para uma boa compreensão e desenvolvimento, deveremos estar familiarizados com esses assuntos. 2 - DIODO A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtém-se uma junção pn, que é um dispositivo de estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção. Devido à repulsão mútua os elétrons livres do lado n espalham-se em todas as direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente. (um íon negativo) Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os íons estão fixo na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que o número de íons aumenta a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção. Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial. A 25º esta barreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio POLARIZAÇÃO DO DIODO Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o pólo negativo em contato com o material tipo n POLARIZAÇÃO DIRETA No material tipo n os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrados para a junção. No material tipo p as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades. A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão de joelho. ( No Si é aprox. 0,7V).

4 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento POLARIZAÇÃO REVERSA Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção pn, isto é, ligando o pólo positivo no material tipo n e o pólo negativo no material tipo p, a junção fica polarizada inversamente. No material tipo n os elétrons são atraídos para o terminal positivo, afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra. O diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura apartir da qual a corrente aumenta sensivelmente. 3 - CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo POLARIZAÇÃO DIRETA Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não é um componente linear. Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO Na verdade, o ponto de condução exato do diodo (a tensão na qual ele começa a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode começar a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de 0,7V. A folha de dados do 1N4001 informa também que se ele estiver polarizado diretamente e estiver sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tensão em seus terminais pode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de 25ºC RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI) Na maioria dos casos, considera-se o diodo em condução como uma chave fechada, mas o diodo não se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistência interna. Esta resistência interna pode ser calculada dividindo a tensão no diodo pela corrente que passa por ele. Como normalmente esta resistência interna é muito baixa, ela quase sempre é desprezada. Podemos calcular a resistência interna do diodo, como mostrado a seguir. RI = 0,7 2,3mA = 304,34Ω

5 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA 4.1 RETIFICADOR DE MEIA ONDA O retificador de meia onda converte a tensão de entrada (USECUNDÁRIO) CA numa tensão pulsante positiva UR. A saída do secundário tem dois ciclos de tensão: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o semiciclo positivo o diodo está ligado no sentido direto e age como uma chave fechada e pela lei das malhas toda a tensão do secundário incide no resistor R. Durante o semiciclo negativo o diodo está polarizado reversamente e não há corrente circulando no circuito. Sem corrente elétrica circulando implica em não ter tensão sob o resistor e toda a tensão do secundário fica no diodo. Este circuito é conhecido como retificador de meio ciclo porque só o semiciclo positivo é aproveitado na retificação RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA Observando a tomada central no enrolamento secundário (Figura 1-23). Por causa dessa tomada, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tensão do secundário, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tensão do secundário. As duas tensões denominadas de U2/2 são idênticas em amplitude e fase. Como mostra a Figura 1-23 à direita, sem alteração no funcionamento elétrico da rede. Quando U2/2 é positiva, D1 está diretamente polarizado e conduz, mas D2 está reversamente polarizado e cortado RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE Com o uso de quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador (Figura 1-25). Durante o semiciclo positivo da tensão U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem D1 e D4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tensão U2. Durante o semiciclo negativo da tensão U2, o diodo D4 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido à inversão da polaridade de U2. Os diodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizado. UR é sempre positiva. Na Figura 1-26 é mostrado as formas de ondas sobre o resistor de carga e os diodos, considerando os diodos ideais. 5 - TIRISTORES O tiristor é um dispositivo de quatro camadas e membro da família dos semicondutores que tem dois estados estáveis de operação: um estado apresenta corrente aproximadamente igual a zero, e o outro tem uma corrente elevada; limitada apenas pela resistência do circuito externo. O tiristor pode ser considerado uma chave unidirecional que substitui, com vantagens, por exemplo, contatores e relés de grande capacidade. Tornou-se vantajoso no controle de grandes potências, devido a diversos fatores: é um dispositivo leve, pequeno, confiável, de ação rápida; pode ser ligado com correntes muito reduzidas e não apresenta problemas de desgaste mecânico porque não possui partes móveis.

6 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento FUNCIONAMENTO No circuito, a base do transistor NPN é alimentada pelo coletor do PNP, e viceversa. Não há inicialmente corrente de coletor alimentando o outro transistor, e ambos estão no corte. Mas se aplicarmos um pulso positivo na base do NPN, ou negativo na do PNP, o transistor será ativado, fornecendo uma corrente amplificada na base do outro, que amplificará esta corrente fornecendo uma corrente ainda maior à base do transistor que recebeu o pulso. O processo leva rapidamente os transistores à saturação, fornecendo corrente somente limitada pela carga, o resistor. Uma vez disparada, a trava só se desliga quando a corrente for limitada a um valor a um valor mínimo, corrente de manutenção, que não permite manter os transistores na saturação. Isto pode ser conseguido desligando o circuito, ou curtocircuitando os emissores. A trava também pode ser disparada por avalanche, aplicando-se uma sobretensão entre os emissores, que inicia a ruptura em um dos transistores, alimentando a base do outro, o que leva à saturação como no caso do pulso, anterior. 5.2 DISPAROS DOS TIRISTOR Os tiristores podem ser disparados de diversos modos: através de pulso, por ângulo de fase em CA e por CC. O disparo por CC é usado em chaveamento de cargas por longos períodos, como lâmpadas, calefatores, eletroimãs e motores, em sistemas de controle tipo ligadesliga e por ciclos. Nestes casos manter a alimentação de gatilho, apesar do consumo de energia desnecessário e o aquecimento da junção, simplifica o circuito de comando. O disparo por ângulo de fase é típico de controle de luminosidade de lâmpadas em CA (dimmer), e de velocidade de motores universais ou de CC. Nestes, a cada ciclo da tensão CA de alimentação, é gerada uma tensão defasada por uma ou duas redes de atraso RC, e quando a tensão atingir a tensão necessária ao disparo do SCR ou TRIAC (mais a do DIAC, se estiver em série), num dado ângulo de fase, o tiristor é disparado. O processo se repete a cada ciclo (ou sericícola, em onda completa), e variando o valor do(s) resistor(es), varria-se a porção do ciclo em que é alimentada a carga (ângulo de condução do tiristor), variando a tensão média e eficaz, e a potência na carga.

7 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento 7 O disparo por pulsos é o mais sofisticado e preciso, e o mais empregado. Usa um gerador de pulsos, freqüentemente com transistor unijunção, UJT, que é outro tiristor, constituído de uma barra de material N, com uma porção lateral tipo P próxima do centro. A região P é o emissor, E, e os extremos da barra as bases 1 e 2, B1 e B2. estrutura do UJT símbolo S.C.R. (Silicon Controled Rectifier) Ele é um diodo controlado por pulso, aplicado no gatilho ( gate ). Sua estrutura PNPN é igual à da trava ideal, sendo o pulso positivo aplicado no terminal que corresponde à base do transistor NPN, o gatilho. O emissor do PNP é o anodo e o do NPN, o catodo do diodo. a) Funcionamento Aplicando-se uma tensão E [(+) no anodo (A) e (-) no catodo (K)] veremos que o transistor PNP e o NPN não conduzem porque não circula a corrente i2 e a corrente i1. Aplicando agora um pulso positivo no gate (G) em relação ao catodo, vamos fazer circular a corrente i1 que fará o transistor NPN entrar em condução. Com isso i2 também irá circular fazendo com que o transistor PNP conduza. O pulso no gate não é mais necessário, pois o transistor PNP mantém o NPN conduzindo e vice-versa. Como podemos observar, esse estado de condução permanecerá indefinidamente. A única maneira de desligar o SCR é fazer a tensão E (entre anodo e catodo) igual à zero. SCR pode ser disparado também pela tensão VAK (VAK = E, enquanto o SCR não está conduzindo). Esta tensão ê chamada tensão de bloqueio, que ê a tensão máxima que o SCR admite entre anodo e catodo, sem romper a barreira de potencial da junção NP (no centro), e entrar em condução, quanto maior a corrente Ig, menor será a tensão de bloqueio e consequentemente, o SCR irá entrar em condução com um tempo menor. I - VRM - Tensão de pico repetitiva p/ estado desligado. É a tensão de pico máxima que pode ser aplicada entre o anodo e o catodo para o SCR desligado. Se for aplicada tensão maior do que esta, pode ocorrer ruptura das junções. (breakdowm). II - TURN-ON - Tempo de atraso (delay - time) - é o tempo que SCR demora para reagir ao (gatilho) recebido do gate. - Tempo de subida (rise-time) - é o tempo que o SRC gasta para sair do 0,9 (VDM-VT), até atingir 0,1 (VDM-VT). III - Corrente de manutenção ( IH ) É o valor mínimo de corrente capaz de manter o SCR no estado de condução. Para SCRs de 35 A(RMS),por exemplo, a corrente IH estã na faixa de 14 a 90 [ma] (ex: 2N6173) IV - Corrente de inicio de condução (Latching Currente)

8 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento 8 Existem casos em que cargas indutivas no circuito, farão com que a corrente, pelo SCR, cresça mais lentamente. Na subida, se aplicarmos pulsos no gate, ocorrerão pulsos de condução como mostrado na figura 5. Isso ocorre porque é necessário que a corrente de condução possa alcançar um valor de 1,5 a 3 vezes IH para conseguir manter o SCR em condução, quando for gatilhado; caso contrário vai conduzir e depois cortar enquanto a corrente de condução não for maior do que IL. V - Corrente média de condução: - IT (AV) - É o valor médio máximo de corrente para um ângulo de condução de 180º. Quando for usado um ângulo de condução menor que 90º (1/2 onda), e o menor que 180º (onda completa) deve-se determinar novo valor de IT (AV). VI - Corrente de pico de curto-circuito (surge on-state current) Valor máximo de corrente permitida que possa passar pelo SCR num período de 1 ciclo. E iguala aproximadamente 15 x IT(AV). VII - Queda de tensão estática direta (on state voltage) É a queda de tensão entre anodo e catoto quando SCR está em condução. Normalmente na ordem de 1,5V. VIII - Tempo de Desligamento (turn-off time) Após a tensão de alimentação atingir 0 volts, é necessário esperar um certo tempo para aplicar novamente alimentação sem que o SCR entre em condução. Isso ocorre porque, mesmo quando a alimentação atingir 0 volts, internamente o SCR não atingiu 0 volts, e, portanto, se for aplicado a alimentação logo depois ele irá conduzir DIAC O DIAC não tem terminal de controle (Gate), tendo em vista que sua mudança de estado é controlada pela tensão aplicada entre seus terminais. Pode ser entendido como dois diodos Schokley em antiparalelo. O seu disparo ocorre quando se atinge a tensão de bloqueio em qualquer sentido, da ordem de 25 a 40 V. É usado em geral para disparar o TRIAC, em circuitos de controle de tensão CA por ângulo de disparo. Sua estrutura é PNP, e funciona como um transistor cuja base só é alimentada quando se atinge a tensão de ruptura, o que leva à saturação, caindo a tensão nos terminais para uns 0.2 V. São construídos como mostrados na figura Seu funcionamento é simples: Para passar do estado de bloqueio para o estado de condução, é preciso ultrapassar a tensão de ruptura (VR), rompendo assim, a junção polarizada inversamente, podendo a corrente fluir em ambos sentidos. Para voltar ao estado de bloqueio, basta remover a tensão por alguns instantes.

9 Centro Universo de Educação e Desenvolvimento 9 Exemplos de circuito a) Controle de intensidade de luz Vamos supor que inicialmente o DIAC e o TRIAC estão cortados e a tensão VAC está no início do semiciclo positivo; o capacitor C irá se carregar através de R1 e R2 até que seja atingida a tensão de condução do DIAC. Com a condução do DIAC o TRIAC recebe um pulso no Gate e começa a conduzir permitindo assim, que circule corrente de alimentação pela carga. O DIAC corta logo depois, porque com o disparo do capacitor se descarrega e a tensão do capacitor (VC) cai para próximo de zero. Quando a tensão de alimentação passar por zero. O TRIAC corta e só conduzirá novamente quando o DIAC for disparado no semiciclo negativo. O valor máximo de R é dado por: Rmax = VRmax / IRmax O valor mínimo é dado por: Rmin = VRmin / IRmin Sua construção assemelha-se a de um transistor bipolar, porém difere na dopagem do cristal N. Os diacs servem para controlar o disparo de triacs quando uma tensão de referência chegar a certo valor Tiristor de Triodos Bidirecionais (TRIAC) Um TRIAC pode conduzir em ambos os sentidos e é utilizado em controle de fase CA (conversores CA-CA). Ele pode ser considerado como dois SCRs conectados em anti-paralelo com uma conexão de gatilho comum, como mostrado na Figura seus terminais não podem ser designados como anodo e catodo. Se o terminal MT2 for positivo em relação ao terminal MT1, o TRIAC pode ser disparado pela aplicação de um sinal negativo entre o gatilho G e MT1. Se o terminal MT2 for negativo em relação a MT1, ele pode ser disparado pela aplicação de um sinal negativo entre o gatilho G e MT1. Não é necessário que existam ambas as polaridades no sinal de gatilho, pois o TRIAC pode ser disparado com um sinal tanto positivo como com um negativo. Na prática as sensibilidades variam de um quadrante para outro e os TRIACs normalmente são operados no quadrante I+ (tensão e corrente no gatilho positivas) ou no quadrante III- (tensão e corrente no gatilho negativas). 5.6 GTO Todos os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente de manutenção, o que exige circuitos especiais de desligamento em certos casos. O GTO permite o desligamento pelo gatilho, por pulso negativo de alta corrente, daí o nome (Gate Turn Off, desligamento pelo gatilho). Estruturalmente, é similar ao SCR, mas a dopagem e a geometria da camada do gatilho permite minimizar o sobre aquecimento no desligamento (que destruiria um SCR). O desligamento é feito em geral através de descarga de um capacitor. 6 - REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA MALVINO, ALBERT PAUL. Eletrônica Vol I e II, 4ª Edição. São Paulo: Graw-Hill, MELLO, Hilton Andrade de; INTRATOR, Edmond. Dispositivos semicondutores, 3ª ed. Rio de Janeiro, Livros técnicos e Científicos, Eletrotécnica basica Instrumentação SENAI ES, 1999

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