ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

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1 Cenro Federal de Educação Tecnológica do Espírio Sano Unidade de Ensino Descenralizada da Serra/ES ELETRÔNICA DE POTÊNCIA AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

2 Cenro Federal de Educação Tecnológica do Espírio Sano Unidade de Ensino Descenralizada da Serra/ES ELETRÔNICA DE POTÊNCIA MARCIO BRUMATTI SERRA ES 2005 AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Inrodução Perdas nos Semiconduores de Poência O Diodo Tirisores SCR (Reificador conrolado de silício) O TRIAC O DIAC O Transisor Bipolar de Junção (BJT) Mosfe de Poência O IGBT Módulos de Poência A Escolha do Semiconduor de Poência RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS Inrodução Reificador Monofásico de Meia Onda Reificador Monofásico de Onda Complea em Pone Reificadores Trifásicos Reificador Trifásico de Meia Onda Reificador Trifásico de Onda Complea RETIFICADORES CONTROLADOS Reificador Monofásico Conrolado de Meia Onda Reificador Monofásico Conrolado de Onda Complea em Pone Reificador Monofásico Semiconrolado Reificador Trifásico Conrolado de Meia Onda Reificador Trifásico Conrolado de Onda Complea Reificador Trifásico Semiconrolado Sincronismo de Reificadores Trifásicos Acionameno de Moores CC Com Reificadores Acionameno de Moores CC em Quaro Quadranes Funcionameno da Pone Complea Como Reificador ou Inversor Prof. Marcio Brumai i

4 4.9.2 Acionameno por Conversores Duais CIRCUITOS DE DISPARO Inrodução Circuio de Disparo Com Sinais CA Circuio de Disparo Com Pulsos Usando o UJT Isolação de Circuios de Disparo Circuio Inegrado TCA CONTROLADORES CA Conrole LigaDesliga Conrole de fase Conrolador Monofásico Conrolador Trifásico SofSar CONVERSORES CC CC Inrodução Modulação por Largura de Pulso (PWM) Conversor Abaixador (BUCK) Conversor Elevador (Boos) Fones Chaveadas Conrole em Fones Chaveadas CONVERSORES CC CA (INVERSORES) Inrodução Inversores Monofásicos de Onda Quadrada Inversor Trifásico de Onda Quadrada Inversores PWM REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...86 Prof. Marcio Brumai ii

5 1. INTRODUÇÃO A função da elerônica de poência é conrolar o fluxo de poência, processando a energia das fones de alimenação disponíveis (rede elérica, geradores ou baerias) aravés de disposiivos semiconduores de poência, para alimenar as cargas. Por exemplo, em um microcompuador é necessário alimenar os chips lógicos com 5 Vcc, aravés da rede 127 Vac, logo se necessia de um circuio de elerônica de poência. A Imporância da elerônica de poência pode ser observada aravés de uma lisa onde aparecem algumas de suas aplicações: Residencial e comercial: iluminação reaores elerônicos; compuadores pessoais; equipamenos elerônicos de enreenimeno; elevadores; sisemas ininerrupos de energia ( nobreak ); equipamenos de escriório. Indusrial: acionameno de bombas, compressores, veniladores, máquinas ferramena e ouros moores; iluminação; aquecimeno induivo; soldagem. Transpore: veículos eléricos; carga de baerias; locomoivas; merô. Sisemas Eléricos: ransmissão em alas ensões CC; fones de energia alernaiva (veno, solar, ec.); armazenameno de energia. Aeroespaciais: sisema de alimenação de saélies; sisema de alimenação de naves; Telecomunicações: carregadores de baerias; fones de alimenação CC; sisemas ininerrupos de energia (UPS). Os sisemas de elerônica de poência consisem em muio mais que um conversor de energia. Como pode ser viso no diagrama de blocos da Fig. 1.1, necessiase ambém de filros para minimizar os ruídos e harmônicos de ensão e correne gerados pelo circuio de poência, os quais operam em regime chaveado; circuios de comando para impor ao semiconduor do conversor sua enrada em condução ou bloqueio; e a realimenação e conrole que maném o sisema operando no pono desejado mesmo com mudanças na enrada (fone) ou na saída (carga). O circuio de poência é composo por semiconduores de poência e elemenos passivos (induores, capaciores e resisores), podendo assumir várias configurações em função das caracerísicas de ensão, correne e freqüência da fone de alimenação e da carga. Pelo fao de não haver pares móveis, esses circuios de poência são chamados de conversores esáicos, os quais podem ser classificados como: Conversores CA CC (Reificadores), Conversores CC CA (Inversores), Conversores CC CC (Choppers) e Conversores CA CA (Cicloconversores e Conroladores CA). O diagrama da Fig. 1.2 relaciona cada conversor com a respeciva conversão. Prof. Marcio Brumai 3

6 ENTRADA DE ENERGIA FILTRO DE ENTRADA CIRCUITO DE POTÊNCIA (CONVERSOR ESTÁTICO) FILTRO DE SAÍDA CARGA CIRCUITO DE REALIMENTAÇÃO COMANDO DOS SEMICONDUTORES CIRCUITO DE CONTROLE GRANDEZAS ELÉTRICAS GRANDEZAS MECÂNICAS Fig. 1.1 Diagrama de blocos de um sisema em elerônica de poência. CICLOCONVERSOR RETIFICADOR CONVERSOR DE FREQUÊNCIA de 2 ESTAGIOS CONVERSOR CC de 2 ESTAGIOS INVERSOR CHOPPER Fig. 1.2 Conversores em elerônica de poência. Os conversores esáicos uilizados para acionameno com velocidade variável de moores de indução são chamados comercialmene de conversores de freqüência ou simplesmene inversores. Em sua maioria são conversores CA CA em dois eságios, ou seja, reificadores associados a inversores. Prof. Marcio Brumai 4

7 2. SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA 2.1 Inrodução Para enender o funcionameno e as diversas opologias dos conversores esáicos é imporane que se conheça bem os disposiivos semiconduores que compõem a pare aiva deses conversores, ou seja, suas caracerísicas de ensão, correne, comando e velocidade de comuação. Em elerônica de poência, os semiconduores podem ser considerados como chaves, podendo esar no esado fechado ou conduzindo (ON) e abero ou bloqueado (OFF). Podem ser divididos em rês grupos de acordo com o grau de conrolabilidade. Esses grupos são: Chaves não conroladas: esado ON e OFF dependendo do circuio de poência. Ex.: diodos. Chaves semiconroladas: esado ON conrolado por um sinal exerno e OFF dependendo do circuio de poência. Ex.: SCR, TRIAC. Chaves Conroladas os esados ON e OFF são conrolados por sinal exerno. Ex.: Transisor (BJT), MOSFET, IGBT, GTO. 2.2 Perdas nos Semiconduores de Poência Operando como chave, o semiconduor apresena dois ipos de perdas de energia, as quais geram dissipação de calor sobre o mesmo: as perdas em condução e as perdas em comuação. A Fig. 2.1 a seguir apresena as formas de onda de ensão, correne e poência dissipada sobre um semiconduor que opera como chave. Quando o semiconduor esá em condução, flui aravés do mesmo uma correne I on e aparece sobre ele uma baixa queda de ensão V on, as quais são responsáveis pelas perdas em condução. Quano maiores forem I on e V on, maior será a perda de condução, assim, é desejável semiconduores que apresenam baixos valores de ensão quando em condução. A comuação pode ser de dois ipos: OFF para ON (enrada em condução) ou de ON para OFF (bloqueio). No primeiro caso, quando o semiconduor enra em condução sua ensão cai aé próximo de zero (V on ) e a correne cresce. Enquano eses valores não se esabilizam aparecem as perdas por comuação. Tais perdas ocorrem ambém durane o bloqueio, onde a correne cai aé zero enquano a ensão no semiconduor cresce aingindo o valor V off. Quano maiores forem a ensão V off, a correne I on, a duração da comuação ( off/on e on/off ) e a freqüência de comuação, maior será a perda de comuação. Assim, é desejável que o semiconduor apresene comuações rápidas para diminuir as perdas de comuação. Prof. Marcio Brumai 5

8 I on V off V on I off = 0 off/on on on/off off Perdas comuação off/on condução comuação on/off bloqueio T = período de comuação 2.3 O Diodo Fig. 2.1 Comuação nos semiconduores de poência. A Fig. 2.2 mosra o símbolo do diodo e suas caracerísicas de operação aravés da curva v x i. i D i F A K v D K caodo A anodo V F v D Fig. 2.2 Diodo: símbolo e caracerísica de operação. Quando a ensão enre o anodo e o caodo for posiiva e maior que V F (em orno de 0,7 V), é dio que o diodo esá direamene polarizado e esá no esado de condução, ou seja, começa a conduzir correne com uma pequena ensão sobre ele. Quando o diodo é reversamene polarizado, ou seja a ensão enre anodo e caodo é negaiva, ele esa no esado core, bloqueando a passagem de correne no senido reverso. A enrada em condução de um diodo é considerada ideal, ou seja, rápida o suficiene para não afear o reso do circuio de poência em que esá inserido. Enreano, para o bloqueio levase um empo adicional, chamado RR empo de recuperação reversa. Na comuação do esado de condução para o bloqueio, ocorre a descarga da capaciância inrínseca da junção. Nesse Prof. Marcio Brumai 6

9 inervalo de empo RR, a correne no diodo V D ornase negaiva aé que oda a carga armazenada na capaciância durane a condução se anule. Após a carga er se V E D R I D anulado o diodo bloqueia. Esa correne reversa pode, além de compromeer o bom funcionameno do circuio, gerar ruídos, V D sobreensões e perdas adicionais de comuação. A Fig. 2.3 mosra como ocorre a V FP V ON comuação em um diodo. A parir dos empos de recuperação V R reversa, os diodos podem ser classificados quano à velocidade de comuação. A abela a seguir mosra algumas linhas comerciais I D RR de diodos. Os diodos Schoky apresenam empos de recuperação reversa muio pequenos, da ON I R ordem de 10 ns, pequena queda de ensão e é aplicado em alas freqüências e baixas ensões. Já o diodo ulrarápido pode ser usado em ensões superiores, com um V E V R OFF acréscimo do empo de recuperação reversa. Os diodos rápidos são usados para maiores poências e menores freqüências. V R Fig. 2.3 Comuação em um diodo. Já os diodos de uso geral são os diodos normalmene uilizados na freqüência da rede CA (60Hz). Os diodos de poência são fornecidos em vários ipos diferenes de encapsulameno como mosrado na Figura 2.4 ao lado. É aravés do encapsulameno que o calor gerado na junção do diodo se difunde para o meio circundane. Fig.2.4 Tipos de encapsulameno. Prof. Marcio Brumai 7

10 SCHOTTKY ULTRARÁPIDO 1 A 10 A 35 A 1 A 15 A 50 A Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. 20 1N MBR MBR MUR MUR MUR N MBR MBR MUR MUR MUR MBR MBR MBR MUR MUR MUR MBR MBR MUR MUR MBR MBR MUR1100 I FSM 25 A I FSM 150 A I FSM 600 A I FSM 35 A I FSM 200 A I FSM 600 A V F 0,6 V V F 0,57 V V F 0,55 V rr 50 ns rr 35 ns rr 50 ns RÁPIDO USO GERAL 1 A 35 A 300 A 1 A 15 A 50 A Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. Vr COD. 50 1N N R23F6A 50 1N MUR MUR N N R32F10A 200 1N MUR MUR N N R23F14A 400 1N MUR MUR N N N MUR MUR2106 I FSM 30 A I FSM 250 A I FSM 5000 A I FSM 30 A I FSM 400 A I FSM 400 A rr 0,2 µs rr 0,2 µs rr 0,2 µs Na abela consam alguns parâmeros imporanes para a especificação de um diodo, onde: V R ensão reversa; I FAVG correne média direa; V F queda de ensão direa; I FSM correne se suro não repeiiva máxima; rr empo de recuperação reversa. Além deses, exisem ouros parâmeros como: I FRMS correne direa eficaz; I FRM correne direa repeiiva máxima; I RRM valor de pico da correne de recuperação reversa. Prof. Marcio Brumai 8

11 2.4 Tirisores O ermo irisor engloba uma família de disposiivos semiconduores que operam em regime chaveado, endo em comum uma esruura de 4 camadas semiconduoras numa sequência pnpn, apresenando um funcionameno biesável. O irisor de uso mais difundido é o SCR (Reificador Conrolado de Silício), usualmene chamado simplesmene de irisor. Ouros componenes, no enano, possuem basicamene uma mesma esruura: LASCR (SCR aivado por luz), ambém chamado de LTT (Ligh Triggered Thyrisor), TRIAC (irisor riodo bidirecional), DIAC (irisor diodo bidirecional), GTO (irisor comuável pela pora), MCT (Tirisor conrolado por MOS) SCR (Reificador conrolado de silício) A Fig. 2.5 mosra o símbolo do SCR e suas caracerísicas de operação aravés da curva v x i. i T i T G on off A v T K V F v T G gae A anodo K caodo Fig. 2.5 Tirisor: símbolo e caracerísica de operação do SCR. Quando o SCR esá direamene polarizado (v T > 0) e é aplicado um pulso posiivo de correne de seu gae (G) para o caodo (K), ese disposiivo enra em condução permiindo circulação da correne I T enre anodo e caodo. Uma vez em condução, o pulso de gae pode ser removido e o SCR coninua em condução como um diodo, ou seja, não pode ser comandado a bloquear. Para que o al deixe de conduzir é necessário que a correne I T caia abaixo do valor mínimo de manuenção (I H ), desa forma o SCR enra novamene na região de core. Quando o SCR esá reversamene polarizado (v T < 0) ele não conduz. Maneiras de disparar um SCR A seguir são apresenadas as formas de disparo de um SCR. Disparo por pulso de gailho Prof. Marcio Brumai 9

12 Esa é a forma usual de disparo. Como já foi dio, quando o SCR esá direamene polarizado e recebe um pulso posiivo de correne de gae para caodo, ele enra em condução. O componene se manerá em condução desde que, após o processo de enrada em condução, a correne de anodo enha aingido um valor superior ao limie I L (correne de laching ). Sendo assim, a duração do sinal de disparo deve ser al que permia à correne aingir o valor I L anes que o sinal de disparo seja reirado. Disparo por sobreensão À medida que se aumena a ensão enre anodo e caodo (direamene polarizado), é possivel iniciar o processo de condução mesmo sem correne no gae. Ese procedimeno, nem sempre desruivo, raramene é uilizado na práica. Disparo por axa de crescimeno da ensão direa Uma vez que o SCR eseja direamene polarizado, mesmo sem correne de gae, pode haver a enrada em condução devido à axa de crescimeno da ensão enre anodo e caodo. Se esa axa for suficienemene elevada (a ensão crescer rapidamene), o SCR enra em condução. Ese disparo, normalmene não desejado, é eviado pela ação de um circuio de proeção conhecido como snubber, que se raa de um circuio RC em paralelo com o irisor. R T C Fig. 2.6 Tirisor com um circuio snubber. Disparo por emperaura Em alas emperauras, a correne de fuga numa junção pn reversamene polarizada pode assumir valor suficiene para que leve o irisor ao esado de condução. Para eviar ese disparo, uilizamse dissipadores de calor eviando o aumeno excessivo de emperaura. Méodos de comuação de um SCR Se por um lado é fácil a enrada em condução de um SCR, o mesmo não ocorre para o seu bloqueio. A condição para o bloqueio é que a correne de anodo fique abaixo do valor I H correne de manuenção, cujo valor é esabelecido pelo fabricane. Exisem duas formas básicas de bloqueio de um SCR. Comuação naural Em um circuio CA, a correne normalmene passa por zero em algum insane levando o SCR ao bloqueio. Ese ipo de comuação é chamado comuação pela rede. Em circuios CC, onde a Prof. Marcio Brumai 10

13 comuação depende da caracerísica da própria carga, a comuação é definida como comuação pela carga. Comuação forçada É uilizada em circuios CC onde não é possível a reversão da correne de anodo. Sendo assim, devese oferecer um caminho alernaivo para a correne, enquano se aplica uma ensão reversa sobre o SCR. Normalmene é uilizado um capacior carregado previamene com uma ensão reversa, em relação aos erminais do SCR. No insane desejado para o core, colocase o capacior em paralelo com o SCR aplicando sobre ele uma ensão reversa. Um exemplo dese ipo de comuação será viso durane o esudo dos inversores, num capíulo fuuro. A abela abaixo mosra as caracerísicas principais de alguns SCR s enconrados comercialmene. TIRISTORES SCR 4 A 25 A 110A 1230 A V Cod. V Cod. V Cod. V Cod. 50 2N N N ST330C02L 200 2N N N ST330C06L 400 2N N N ST330C12L 600 2N N N ST330C162L 800 2N N N1807 I TSM 15 A I TSM 150 I TSM 100 A I TSM 7925 A V GT 3 V V GT 2 V V GT 2,5 V GT 3 V I GT 10 ma I GT 40 ma I GT 110 ma I GT 200 ma Enre os parâmeros imporanes a serem especificados em um SCR, êmse: I TAV Correne direa média; I TRMS Correne direa eficaz; I TSM Suro máximo de correne; V DRM e V RRM Máximos valores de ensão direa e reversa; V GT e I GT ensão e correne de gae; I L e I H correne de laching e de manuenção. Prof. Marcio Brumai 11

14 2.4.2 O TRIAC O TRIAC é um irisor que permie a condução de correne nos dois senidos, enrando em condução e bloqueando de modo análogo ao SCR. Uma visão simplificada do TRIAC, é a de uma associação de dois SCR s conecados em aniparalelo. Enreano, noe que no caso de dois SCR s é necessário dois erminais de gailho. A Figura 2.7 mosra o símbolo do Triac e a comparação com dois SCR s. Como é bidirecional, os ermos anodo e caodo ficam sem senido, assim, os erminais do TRIAC são chamados anodo 1 (A1), anodo 2 (A2) e gailho (G). Além de conduzir nos dois senidos, o TRIAC pode ser disparado ano com pulso posiivo como por pulso negaivo de correne aplicado enre o gae(g) e o anodo1(a1). G 1 G A 2 A 1 A 2 A 1 Fig. 2.7 Símbolo do Triac e comparação com dois SCR s em aniparalelo. G 2 O TRIAC é um disposiivo uilizado em baixos níveis de poência quando comparado com o SCR. Um exemplo de aplicação é o conrole do fluxo de correne alernada. Ese conrole pode ser feio de duas formas: (A) Conrole por ciclos ineiros e (B) Conrole do ângulo de fase. Conforme mosra a Figura 2.8. Tensão de enrada Pulso de gae Tensão de saída (A) (B) Fig. 2.8 Conrole do fluxo de poência por Triac s. (A) Conrole por ciclos ineiros, (B) Conrole do ângulo de fase. Prof. Marcio Brumai 12

15 2.4.3 O DIAC Assim como o Triac, o Diac é um disposiivo que permie condução nos dois senidos endo aplicações em baixos níveis de poência. Enreano, a enrada em condução não ocorre devido a um pulso de correne no gae, mas a parir de uma ensão de disparo aplicada enre seus erminais. A Figura 2.9 mosra a caracerísica ensão x correne e o símbolo comumene uilizado para a represenação do DIAC. Quando o DIAC esá submeido a uma ensão inferior a V D (ensão de disparo), o mesmo não conduz. Depois de aingido o valor da ensão de disparo, o DIAC enra em condução, manendo uma pequena ensão enre seus erminais. Para o seu bloqueio é necessário que a correne assuma valor inferior a I H (correne de manuenção). Fig. 2.9 Símbolo e caracerísica do DIAC. 2.5 O Transisor Bipolar de Junção (BJT) O Transisor bipolar mosrado na Figura 2.10, enra e permanece em condução (região de sauração), quando é aplicada uma correne adequada em sua base, ornandose equivalenre a uma chave fechada. Nesa condição, a ensão enre coleor e emissor (V CE = V CESa ) é ipicamene menor que 2 Vols, logo, são baixas as perdas em condução do BJT. Enreano, sua comuação não é rápida, o que aumena muio as perdas de comuação quando opera em alas freqüências (acima de 40 khz). i C C i C i B4 i B3 i B V CE Região de sauração i B2 C coleor B base E emissor B V BE E i B1 i B0 V CE Fig Transisor bipolar de Junção: símbolo e caracerísica de operação Prof. Marcio Brumai 13

16 Para saurar o ransisor bipolar é necessário uma correne de base I B > I Csa /β, onde β é o ganho de correne que esá em orno de 10 para ransisores de baixa ensão e 5 para ransisores de ala ensão. Para o bloqueio do disposiivo, é necessário reduzir a correne de base aé zero. Dáse o nome de ransisor par darlingon quando se associam dois ransisores em um único encapsulameno de forma a aumenar o seu ganho, enreano isso aumena a queda de ensão e perdas de condução e comuação. A parir do exposo acima, podese concluir que além das perdas de comuação já mencionadas, a complexidade dos circuios de comando e sua poência requerida são grandes faores limianes deses disposiivos. A abela a seguir é uma reduzida amosra de ransisores bipolares de poência comerciais da Moorola Semiconducors, mosrando algumas de suas principais caracerísicas. Ressalase que exisem ouras opções de ensão, correne e ipo de encapsulameno. TRANSISTOR BIPOLAR I C (A) V CE (V) COD. s (µs) f (µs) h FEmin MJ16002A MJ , MJ10007 darlingon" 1,5 0, MJ ,5 0, BUS51 3,3 1,6 15 Enre os parâmeros para especificação de um BJT, êmse: I C correne de coleor; V CE máxima ensão enre coleor e emissor; V CE sa ensão enre coleor e emissor quando em sauração; h FE ganho de correne; ON = d R ; OFF = S F empos relacionados às comuações. Onde: d delay ime ; R rise ime ; S sorage ime ; F fall ime. Prof. Marcio Brumai 14

17 2.6 Mosfe de Poência O Mosfe (Transisor de Efeio de Campo), cujo símbolo e curva caracerísica são mosrados na Figura 2.11, é comandado por ensão aplicada enre os erminais Gae (G) e Fone (S). Ese disposiivo se aproxima de uma chave fechada (região ôhmica) quando a ensão V GS é adequada, ipicamene de 9 a 15V. E esá bloqueado quando esa ensão for inferior ao limie V GSh (4V, ípico). Quando em condução, o disposiivo necessia de permanene aplicação da ensão V GS (ensão enre gae e fone), enreano não flui correne no gae, exceo durane as ransições ON OFF e OFF ON, quando a capaciância de gae é carregada e descarregada. i D i D D v GS5 v GS4 v GS3 D Dreno G Gae S Fone G V GS S V DS Região ôhmica v GS2 v GS1 v GS0 V DS Fig Mosfe: símbolo e caracerísica de operação. Operando na região ôhmica, o Mosfe se compora como uma resisência de valor relaivamene baixo enre dreno e fone (R DS ON ), sendo assim, é a região de ineresse para operação como chave. Os empos de comuação são curos (da ordem de dezenas de ns), e sua a resisência de condução R DS ON cresce com o aumeno da ensão do disposiivo, logo ese disposiivo possui poucas perdas em aplicações de alas freqüências e baixas ensões (aé 300V e acima de 50k Hz). Como o disposiivo é comandado por ensão, seu circuio de gae é simples e consome pouca energia, como mosra o esquema e as formas de onda da Figura 2.12 a seguir. M D V GS V G S I G I D Fig Comando de gae do Mosfe e principais formas de onda. Prof. Marcio Brumai 15

18 Cabe desacar que em qualquer Mosfe exise um diodo inrínseco enre os erminais fone e dreno. A abela abaixo mosra as caracerísicas principais de uma linha comercial de Mosfe s da Inernaional Recifiers Semiconducors e alguns de seus parâmeros imporanes a serem especificados. Podese verificar o incremeno de R Dson com o aumeno da ensão máxima admissível, bem como a redução nos limies máximos de correne admissíveis. MOSFET S DE POTÊNCIA COD. V DS R DSon I D 25 º COD. V DS R DSon I D 25 º IRF , IRFP , IRF ,18 34 IRFP , IRF ,55 18 IRFP ,3 18 IRFBC ,2 6,8 IRFPC ,2 6,8 IRFBE ,0 6,9 IRFPF ,0 6,9 IRFBG ,0 4,3 IRFPG ,5 4,3 Os principais parâmeros de um Mosfe de poência são: V DS Tensão enre dreno e fone; I D Correne de dreno; I DM Pulso de correne de dreno; R DS ON Resisência enre dreno e fone (região ôhmica); ON = d (on) R ; OFF = d (off) F Tempos relacionados às comuações; Onde: d delay ime ; R rise ime ; F fall ime. Prof. Marcio Brumai 16

19 2.7 O IGBT O IGBT (Isolaed Gae Bipolar Transisor) associa a caracerísica de comando dos MOSFET com a caracerísica de condução dos BJT. Nos úlimos anos, vem endo considerável evolução, com o crescimeno de sua velocidade de comuação. A Figura 2.13 mosra o símbolo e a curva caracerísica do IGBT, onde se noa que o componene apresena os erminais coleor e emissor (como no BJT) e gae (como no Mosfe). I C C I C V GE5 V GE4 G E V CE V GE3 V GE2 V GE1 V GE C Coleor G Gae E Emissor V CE ON V GE0 V CE Fig Símbolo e curva caracerísica do IGBT O IGBT apresena a vanagem de ser comandado por ensão requerendo baixa quanidade de energia do circuio de comando, e em condução em a vanagem do BJT de baixas ensões V CE on, podendo conduzir elevadas correnes com baixas perdas. O empo de enrada em condução é maior que o do MOSFET, na ordem de décimos de µs, e no bloqueio surge o fenômeno da correne de cauda que provoca elevadas perdas de comuação em alas freqüências. A Figura 2.14 mosra o esquema simplificado do comando com suas principais formas de onda. Tipicamene, V GE enre 12V e 20V resula em V CE ON reduzida, diminuindo as perdas de condução. C V GE 15 V G E I G I C correne de cauda Fig Comando de gae do IGBT e principais formas de onda Prof. Marcio Brumai 17

20 A abela abaixo mosra as caracerísicas principais de uma linha comercial de IGBT s da Inernaional Recifiers Semiconducors e seus parâmeros imporanes a serem especificados e aplicações ípicas. IGBT 600 V * PADRÃO Aplicações: UPS e acionameno RÁPIDO Aplicações: Indusrial, UPS de alas ensões e acionameno ULTRARÁPIDO Aplicações: Robóica e acionameno Ic Perdas COD. Ic (25º) Perdas COD. Ic (25 º ) COD. Perdas 19 IRGBC20S 4,1 16 IRGBC20F 1,8 13 IRGBC20U 0,35 50 IRGBC40S IRGBC40F 4,4 40 IRGBC40U 1,5 70 IRGBC50S IRGBC50F 6,0 55 IRGBC50U 1,7 Os principais parâmeros a serem especificados em um IGBT são: V CES ensão máxima suporável enre coleor e emissor; I C correne de coleor; I CM pulso de correne de coleor; V CE ON ensão enre coleor e emissor na região de sauração; ON = d (on) R ; OFF = d (off) F Tempos relacionados às comuações; Onde: d delay ime ; R rise ime ; F fall ime. 2.8 Módulos de Poência Os semiconduores de poência podem aparecer já associados em módulos, reduzindo o amanho dos conversores e faciliando a monagem, enreano podem encarecer a manuenção. Como por exemplo, mosramos abaixo: 1. Pone monofásica de diodos, 2. pone rifásica de diodos, 3. pone monofásica de irisores, 4. pone complea rifásica de IGBT s ou MOSFET s Prof. Marcio Brumai 18

21 A Escolha do Semiconduor de Poência A escolha de um disposiivo semiconduor de poência para uma aplicação específica deve levar em cona vários faores como: cuso do disposiivo, os níveis de ensão e correne enconrados, a complexidade do circuio de comando e seu cuso, e a freqüência com que o disposiivo irá operar. Os irisores são os semiconduores de poência de menor cuso, enreano apresenam limiações devido à baixa velocidade de comuação, a complexidade do circuio de comando e dificuldade no bloqueio. São amplamene uilizados em conversores que usam comuação pela rede, como reificadores conrolados e conroladores CA. O SCR se desaca pela sua elevada capacidade de correne e ensão suporável (3kA/ 3kV). Anes do desenvolvimeno dos Mosfe s o único disposiivo disponível para aplicações em conversores de ala freqüência (5 a 20 khz) e médias poências (aé 100 kw) era o ransisor Prof. Marcio Brumai 19

22 bipolar de poência BJT. A ecnologia dese disposiivo evoluiu basane, permiindo a fabricação de componenes com capacidade de suporar correne de coleor de cenenas de ampères e ensões de bloqueio de aé 800 V. A principal vanagem do BJT de poência é o cuso, paricularmene em alas ensões, enquano suas principais desvanagens são a complexidade e cuso do circuio de comando e limiação na velocidade de comuação, ornandose uma ecnologia ulrapassada. É aplicado em deflexão horizonal de TVs e moniores, amplificador de áudio, ec. O Mosfe opera muio bem em alas freqüências e necessia de um simples circuio de comando. Assim, reina absoluo em aplicações de ala freqüência (acima dos 50kHz) e baixas ensões e correnes. Como já vimos, a resisência de condução dos Mosfe s cresce muio com o aumeno da máxima ensão suporável, o que leva a uma redução da capacidade de correne. Dese modo, normalmene os Mosfe s são uilizados para ensões inferiores a 500V. Para maiores ensões a aplicação se resringe a baixas poências (menor que 100W). Geralmene são usados em fones de alimenação chaveadas, reaores elerônicos, relés de esado sólido de sisemas auomoivos, ec. O mais recene dos semiconduores desenvolvidos o IGBT vem se desacando pela sua capacidade de condução de alas correnes e de suporar elevadas ensões (500A/1500V), além da simplicidade de seu circuio de comando. Embora mais lenos que os Mosfe s, os IGBT s são mais rápidos que os BJT s permiindo operação em freqüências aé os 30kHz. Traase de uma ecnologia em crescene desenvolvimeno, que permiiu a melhoria dos acionamenos de moores CA, com o desenvolvimeno dos Inversores de freqüência PWM. Sua aplicação vai desde acionameno de moores aé ignição auomoiva. A abela abaixo mosra uma comparação enre os principais disposiivos semiconduores. Diodos BJT MOSFET IGBT SCR Comando em correne ensão ensão correne Complexidade do circuio de comando Capacidade de correne Tensão suporável Freqüência de comuação ala muio baixa muio baixa baixa ala média baixa para média ala média baixa para média média para ala média para ala ala média ala média baixa ala ala Prof. Marcio Brumai 20

23 3. RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS 3.1 Inrodução Na maior pare das aplicações em elerônica de poência, a enrada de energia em a forma de uma ensão alernada senoidal em 60 Hz, proveniene da rede, que é converida em ensão conínua para ser aplicada à carga. Iso é realizado aravés dos conversores CACC, ambém chamado de Reificadores. Dependendo do semiconduor uilizado, irisor ou diodo, os reificadores podem ser conrolados ou não conrolados respecivamene. Os reificadores a diodo são enconrados em muias aplicações, em geral como eságio de enrada de fones de poência, acionameno de máquinas, carregadores de baerias e ouros. Nese caso a ensão de saída do reificador não pode ser conrolada. Em algumas aplicações, ais como acionameno de máquinas CC, alguns acionamenos de máquinas CA, conrole de emperaura e sisemas de ransmissão em correne conínua, o conrole da ensão de saída se faz necessário. Nesas siuações são uilizados reificadores conrolados. Os reificadores conrolados serão esudados no Capíulo Reificador Monofásico de Meia Onda a) Carga Resisiva O circuio dese reificador alimenando carga resisiva, bem como as principais formas de onda, são mosrados na Figura 3.1. No semiciclo posiivo da ensão de enrada, o diodo esá polarizado direamene, logo o mesmo conduz e a ensão da fone é aplicada sobre a carga. No semiciclo negaivo o diodo fica polarizado reversamene, logo se bloqueia, levando a ensão sobre a carga a zero. V S V L V S V _ D D 1 R i L _ V L I L V D V MÉDIO V S pico Fig. 3.1 Reificador a diodo em meia pone e principais formas de onda. Prof. Marcio Brumai 21

24 A ensão média aplicada sobre a carga nese caso é: V = 0,45 MEDIO V S RMS Onde V S RMS é o valor eficaz da ensão da fone de enrada. Por exemplo, para uma ensão da rede de 127V, a ensão de saída dese reificador será de 57V. E a correne média sobre na carga é dada por: b) Carga RL I MÉDIO 0,45 V = R SRMS A esruura do reificador monofásico de meia onda alimenando uma carga RL bem como as formas de onda esão represenadas na Figura 3.2. V S V S V _ D D 1 L i L R V ind _ V R _ V L V D V L I L 0 V S pico π 2π 3π β Fig. 3.2 Reificador monofásico de meia onda alimenando carga RL e formas de onda. Devido a presença da induância, a qual provoca um araso da correne em relação a ensão, o diodo não se bloqueia quando ω = π. O bloqueio ocorre no ângulo β (ângulo de exinção), que é superior a π. Enquano a correne de carga não se anula, o diodo se maném em condução e a ensão de carga, para ângulos superiores a π, ornase insananeamene negaiva. A presença da induância causa uma redução na ensão média na carga, sendo que quano maior a induância, maior será o valor do ângulo de exinção, com conseqüene redução da ensão média de saída. Prof. Marcio Brumai 22

25 c) Carga RL com Diodo de "RodaLivre" Para eviar que a ensão na carga se orne insananeamene negaiva devido à presença da induância, empregase o diodo de rodalivre, ambém chamado de diodo de circulação, diodo de reorno ou de diodo de recuperação. A esruura do reificador é apresenada na Figura 3.3. V S D 1 D RL Fig. 3.3 Reificador Monofásico de Meia Onda com Diodo de "RodaLivre" L R O reificador conendo o diodo de rodalivre possui duas eapas de funcionameno, represenadas na Figura 3.4. _ V S D 1 D RL i L D 1 L R V ind _ V R _ V L V S D RL i L L R V ind _ V R _ V L Fig. 3.4 Eapas de funcionameno para o reificador com diodo de "rodalivre". A primeira eapa ocorre durane o semiciclo posiivo da ensão V S de alimenação. O diodo D 1 conduz a correne de carga I L e o diodo D RL, polarizado reversamene, enconrase bloqueado. Nesa eapa a ensão na carga é igual à ensão de enrada. A segunda eapa ocorre durane o semiciclo negaivo da ensão V S. A correne de carga, por ação da induância, circula no diodo de "rodalivre" D RL, polarizado direamene nesa eapa. Em conseqüência, o diodo D 1 polarizado reversamene esá bloqueado e a ensão na carga é nula. O diodo de rodalivre permanece em condução aé que a correne de carga caia V S aé zero. Isso se dá quando a energia armazenada no induor é compleamene V L descarregada. As formas de onda esão represenadas na Figura 3.5. I L V MÉDIO 1 eapa 2 eapa Fig. 3.5 Formas de onda na carga. Prof. Marcio Brumai 23

26 Na Figura 3.5 apresenada, a correne de carga se anula em cada ciclo de funcionameno do reificador, nesa siuação a condução é dia desconínua. Se a correne na carga não se anula anes do inicio do próximo ciclo, a condução é dia conínua. O fao de a condução ornarse conínua ou desconinua, é conseqüência da consane de empo da carga. Para consanes de empo elevadas (L muio grande) a condução poderá ser conínua. A condução conínua pode apresenar maior ineresse práico, pois implica numa redução do ripple (ondulação) de correne na carga. As formas de onda do reificador funcionando em condução conínua esão represenadas na Figura 3.6. Da mesma forma que no caso de uma carga resisiva pura, a ensão média na carga para o reificador de meia onda com diodo de roda livre é dada por: V S V L I L 1 eapa 2 eapa Fig. 3.6 Formas de onda na carga para condução conínua. V = 0,45 MEDIO V S RMS Como o induor é magneizado e desmagneizado a cada ciclo de funcionameno, concluise porano que o valor médio da ensão no induor é nulo. Sendo assim, a ensão média na carga é igual à ensão média na parcela resisiva. Daí: I MÉDIO 0,45 V = R SRMS Noe enão que o valor da induância não alera o valor médio da correne na carga. O efeio do induor é de filragem da componene CA de correne, ou seja, quano maior o valor da induância, menor será a ondulação (ripple) da correne. Comumene se diz que o induor alisa a correne. Correne e ensão nos diodos 1. A máxima ensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da ensão de enrada do reificador. 2. Os valores médios das correnes nos diodos podem ser considerados como iguais à meade do valor calculado para a carga, quando a consane de empo for elevada (condução conínua). Prof. Marcio Brumai 24

27 3.3 Reificador Monofásico de Onda Complea em Pone a) Carga Resisiva Nesa configuração, ambém chamada de pone monofásica, durane o semiciclo posiivo da ensão de enrada os diodos D 1 e D 4 conduzem correne à carga e os diodos D 2 e D 3 esão bloqueados. Já no semiciclo negaivo, D 2 e D 3 passam a conduzir e D 1 e D 4 bloqueiam. Desa forma a ensão sobre a carga é sempre posiiva. A Figura 3.7 mosra as duas eapas de operação dese reificador com as principais formas de onda. i s v s D1 D3 D2 v R D4 v s v R i s D1 D2 vs v R i s D3 D4 D1 D4 D2 D3 D1 D4 V MÉDIO Fig. 3.7 Reificador a diodo em pone: eapas e principais formas de onda O valor médio da ensão na carga é dado por: E a correne média na carga é obida de: V = 0,9 MÉDIO V SRMS I MÉDIO 0,9 V = R S RMS Correne e ensão nos diodos da pone 1. A máxima ensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da ensão de enrada da pone reificadora. 2. Os valores médios das correnes nos diodos são iguais à meade do valor calculado para a carga. Prof. Marcio Brumai 25

28 As oscilações que aparecem na ensão sobre a carga, denominamse ripple. Ese ripple de ensão pode ser reduzido com a inclusão de um filro capaciivo, normalmene um capacior elerolíico de alo valor em paralelo com a carga. b) Filro Capaciivo As formas de onda da Figura 3.8 comparam a ensão na carga e a correne na fone nas duas siuações, com e sem o capacior de filro. Quano maior a capaciância menor será o ripple. Como o capacior se maném carregado, os diodos são polarizados somene quando a ensão da rede ulrapassa o valor da ensão de saída sobre o capacior, porano durane pequenos inervalos de empo. Iso provoca correnes não senoidais na fone de alimenação, gerando harmônicas que reduzem o faor de poência e poluem o sisema elérico. V R V R i S i S (a) (b) Fig. 3.8 Tensão de saída e correne da rede para reificadores sem (a) e com (b) filro capaciivo. c) Carga RL A pone monofásica alimenando carga RL, bem como as principais formas de onda, esão represenados na Figura 3.9. i L V S D1 D2 L v l v s V L V L D3 D4 R vr D1 D4 I L D2 D3 D1 D4 Fig. 3.9 Reificador em pone monofásica alimenando carga RL e formas de onda.. Prof. Marcio Brumai 26

29 Com o uso do induor, podese ober uma correne de carga menos ondulada. Assim, quano maior o valor da induância, menor será o ripple de correne. As expressões para cálculo de ensão e correne médias são as mesmas para carga resisiva. d) Carga RLE Em algumas aplicações, os reificadores alimenam cargas RLE, ou seja, cargas consiuídas de resisência, induância e uma ensão CC. Como exemplo ípico, ciase um moor de correne conínua, cujo enrolameno de armadura pode ser represenado elericamene por uma resisência, uma ensão conínua (ensão gerada ou conraeleromoriz) e uma induância. Normalmene se uiliza um induor em série com o moor para diminuir a ondulação da correne. A Figura 3.10 apresena um reificador em pone com carga RLE e as principais formas de onda. v s i L D1 D2 L v l v s R v R D3 D4 E V L I L v L E V MÉDIO Fig Reificador em pone alimenando carga RLE. Considerando condução conínua, o que é assegurado pelo alo valor da induância, a correne na carga nunca se anula. Assim, a forma de onda da ensão na carga (V L ) não sofre aleração devido à exisência da ensão E. Sabendo que o valor médio da ensão na carga é dado por: V = 0,9 V L MÉDIO S RMS E como a ensão média no induor é zero, emse que: V = V E L MÉDIO R MÉDIO Enão, a correne média na carga é dada por: I L MÉDIO V = L MÉDIO Prof. Marcio Brumai 27 R E

30 3.4 Reificadores Trifásicos Na indúsria onde a rede rifásica esá disponível, às vezes é preferível uilizar reificadores rifásicos, que são consiuídos de rês ponos de enrada, cada um conecado a uma das fases da rede, sendo indicados para níveis maiores de poência (maior que 2kW). Nesa configuração, o ripple de ensão e de correne são menores, conseqüenemene os filros serão menores. Além disso, os reificadores rifásicos apresenam maior valor médio de ensão de saída Reificador Trifásico de Meia Onda A esruura apresenada na Figura 3.11 pode ser considerada uma associação de rês reificadores monofásicos de meia onda. Cada diodo é associado a uma das fases da rede de alimenação rifásica. Nesse ipo de reificador, ambém conhecido como reificador com pono médio, é indispensável o emprego do neuro do sisema de alimenação. D1 A D2 B D3 R C N Fig Reificador rifásico com pono médio. v L As formas de onda dese reificador alimenando uma carga resisiva esão apresenadas na figura Cada diodo do reificador conduz durane um inervalo de empo que corresponde a 120 graus eléricos da ensão da rede, sendo que o diodo em condução é sempre aquele conecado à fase que apresena o maior valor de ensão insanânea. v AN v BN v CN O valor médio da ensão na carga é dado pela expressão: V L D1 D2 D3 Diodos conduzindo V = 1,17 V MÉDIO RMS de FASE Onde V RMS de FASE é o valor eficaz da ensão de fase (enre fase e neuro). Fig Formas de onda do reificador de pono médio. Prof. Marcio Brumai 28

31 O valor médio da correne na carga é obido de: VMÉDIO I = MÉDIO R Com o uso de um induor em série com a carga resisiva, podese ober um ripple de correne ainda menor comparado com carga resisiva pura. Observase que as expressões para o cálculo da ensão e correne médias coninuam sendo válidas para carga RL. Correne e ensão nos diodos A máxima ensão reversa sobre os diodos é dada pelo valor de pico da ensão de linha (ensão enre fases) aplicada na enrada do reificador. Por quê?(...) V REVERSA = 2 3 V RMS de FASE Como cada diodo conduz durane um erço do período, a correne média nos diodos é dada por: I = D MÉDIA I MÉDIA NA CARGA Reificador Trifásico de Onda Complea O reificador rifásico de onda complea, apresenado na Figura 3.13, é conhecido ambém como V AN D1 D2 D3 pone rifásica ou como Pone de Graez, se raando de uma das esruuras mais empregadas indusrialmene. N V BN V CN V L Ese reificador apresena seis eapas de operação ao longo de um período da rede, sendo que cada eapa é caracerizada por um par de diodos em condução. D4 D5 D6 Fig Reificador rifásico de onda complea. Em cada insane a correne da carga flui por um diodo da pare superior (D 1, D 2 ou D 3 ) e um da pare inferior (D 4, D 5, ou D 6 ). A operação pode ser explicada assumindo as ensões nas rês fases conforme a seqüência mosrada na Fig Prof. Marcio Brumai 29

32 Como pode ser viso, a ensão da fase A é a maior das rês enre o período de 30 º a 150 º levando D 1 a condução. A fase B é a maior de 150 º a 270 º, fazendo D 2 conduzir. E a fase C é a maior enre 270 º e 390 º (ou 30 º do próximo ciclo), o que provoca a condução de D 3. De forma análoga, cada diodo inferior da pone conduz quando a fase ligada ao mesmo apresena o menor valor insanâneo denre as rês. Desa forma, podese consaar que a fase A em menor ensão de 210 º a 330 º, fazendo D 4 conduzir. A fase B de 330 º a 450 º (90 º do próximo ciclo), o que faz D 5 conduzir. E a fase C de 90 º a 210 º, levando D 6 a condução. O resulado final dos esados de condução são seis eapas de operação, al que em cada eapa, dois diodos (um da pare superior e um da pare inferior) esão conduzindo, como mosra a Fig Em cada eapa de operação duas fases esão conecadas a carga, uma aravés de um diodo superior e a oura aravés de um diodo inferior. A ensão de saída é dada pelo valor insanâneo das ensões enre as fases conecadas à carga em cada uma das seis eapas de operação mosradas, conforme mosra a Fig V AN V BN V CN D1 D5 D1 D6 D2 D6 D2 D4 D3 D4 D3 D5 Diodos cond uzindo Fig Tensões nas rês fases e diodos em condução nas seis eapas. V L V AB V AC V BC V BA V CA V CB V MÉDIO D1 D5 D1 D6 D2 D6 D2 D4 D3 D4 D3 D5 Diodos conduzindo Fig Forma de onda da ensão de saída de um reificador rifásico de onda complea. Prof. Marcio Brumai 30

33 Noe que a freqüência da componene fundamenal da ensão é igual a 6 vezes a freqüência das ensões de alimenação. Ou seja, para a rede de 60Hz, a ensão de saída apresena oscilação de 360Hz. O valor médio da ensão de saída é dada por: V = 2,34 V L MEDIO RMS de FASE Onde V RMS é o valor eficaz da ensão enre fase e neuro. O valor médio da correne de saída é: O ripple na correne de carga pode ser reduzido ainda mais se for uilizado um induor série. Observase que as expressões para o cálculo da ensão e correne médias coninuam sendo válidas para carga RL. A máxima ensão reversa e a correne média nos diodos são obidas da mesma forma que no reificador de pono médio. Enre as vanagens do reificador em pone de Graez sobre o reificador de pono médio, ciamse: maior ensão de saída (para uma mesma ensão de enrada); menor ripple da ensão de saída; e maior freqüência da componene fundamenal da ensão de saída (isso requer filros de menor peso e volume). V I = MÉDIO L MÉDIO R Prof. Marcio Brumai 31

34 4. RETIFICADORES CONTROLADOS Nese Capíulo serão apresenados os reificadores conrolados usando SCR s, enfocando o funcionameno da pare de poência dos reificadores. Os circuios de disparo dos SCR s serão apresenados no Capíulo Reificador Monofásico Conrolado de Meia Onda Se subsiuirmos o diodo do reificador de meia onda por um SCR, emse um reificador conrolado, o qual permie variar a ensão de saída. a) Carga Resisiva O circuio e as formas de onda do reificador monofásico de meia onda a irisor esão represenados na figura 4.1. V S V L π π sincronismo V S T 1 α d Circuio de disparo i G i L _ V T R _ V L I L V T i G V S pico VMÉDIO i MÉDIO α d α d Fig. 4.1 Reificador monofásico de meia onda a irisor e principais formas de onda. No semiciclo posiivo da ensão de enrada V S o SCR esá direamene polarizado, enreano o mesmo não conduz, pois é necessária a aplicação de um pulso de correne enre os erminais gae e caodo para que ele enre em condução. Assim, no inervalo (0, α) o SCR enconrase bloqueado e a ensão de carga é nula. Transcorrido um cero ângulo α d (ângulo de disparo) após a passagem da ensão Vs por zero, o circuio de disparo aplica um pulso de correne (I G ) enre os erminais gae e caodo do SCR provocando seu disparo. Com isso, a ensão na carga passa ser igual à ensão de enrada. Prof. Marcio Brumai 32

35 Como a carga é resisiva, a forma de onda de correne segue a forma de onda de ensão. No insane em que a ensão de alimenação e conseqüenemene a ensão na carga passam por zero, a correne de carga ambém se anula provocando o core do SCR. No inervalo (π, 2π) a ensão da fone ornase negaiva e o SCR se maném bloqueado. Porano, durane ese inervalo, a ensão e correne de carga permanecem nulas. Somene no próximo ciclo, quando for aingido o ângulo de disparo α d, é que ocorre o disparo e o processo se repee. Observase enão, que variandose o ângulo de disparo α d variase a ensão média de carga. Sendo V L MÉDIO a ensão média na carga, esa pode ser obida pela expressão: V L MEDIO = 0,225 V S RMS (1 cosα ) d Onde V S RMS é a ensão eficaz de enrada. As variações exremas ocorrem quando: α d = 0, enão emse que: V L MÉDIO = 0,45V S RMS (semelhane ao reificador não conrolado); α d = π (180 ), onde emse que: V L MÉDIO = 0. Na figura 4.2 esá represenada graficamene a ensão média na carga em função do ângulo de disparo α d. Tensão média de saída (p.u.) V L Mèdio V S RMS 0,450 0,225 0, Ângulo de disparo em graus Fig. 4.2 Gráfico represenaivo da ensão na carga em função de α d, para um reificador monofásico conrolado de meia onda com carga resisiva. Noe que a ensão média de saída é dada em p.u. (valor por unidade). Assim, ese gráfico pode ser uilizado para qualquer valor de ensão de enrada. Por exemplo: se o ângulo de disparo for 90, pelo gráfico se obém o valor 0,225. Enão, para uma ensão eficaz de enrada de 127V, a ensão média de saída será 0,225 x 127V = 28,5V. Prof. Marcio Brumai 33

36 b) Carga RL O circuio e as formas de onda para carga RL esão represenados na figura 4.3. V S i G i L 0 π β 2π V S T 1 L R V L i G I L V MÉDIO V L Fig. 4.3 Reificador de meia onda a irisor alimenando carga RL. α d α d Com carga RL o ângulo de exinção β da correne aravés do SCR é maior que π. Desa forma, enquano a correne aravés do SCR (correne de carga) não se anula, a ensão na carga se maném igual à da fone. Observase nese caso que, sendo o ângulo de exinção β maior que π, a ensão de carga assume valores negaivos. Como conseqüência, o valor médio da ensão na carga se reduzirá, em relação àquele para carga puramene resisiva. A ensão média na carga depende da ensão de enrada, do ângulo de disparo α e do ângulo de exinção β. O ângulo β, por sua vez, depende da carga. Porano, ao se variar a carga variase ambém a ensão média na mesma. Esa dependência do valor médio da ensão na carga, com a própria carga, ornase um grande inconveniene para esa esruura reificadora. c) Carga RL com diodo de Roda Livre O circuio e as formas de onda para o reificador de meia onda com diodo de circulação esão represenados na Figura 4.4. No inervalo (0, α d ) o SCR enconrase bloqueado, sendo assim a ensão de carga é nula. No insane correspondene ao ângulo α d, o SCR é disparado por ação da correne de gailho I G. Assim, no inervalo (α, π) a ensão na carga é igual à ensão da fone. No insane em que a ensão da fone passa por zero, e na eminência da ensão na carga se ornar negaiva, o diodo de reorno é polarizado direamene desviando a correne de carga e fazendo com que o SCR bloqueie. A correne passa a circular pelo diodo, decaindo exponencialmene, e a ensão na carga se maném nula. Prof. Marcio Brumai 34

37 V S i G i L 0 π β 2π T 1 L I L V MÉDIO V L V S D RL R V L i G T 1 D RL α d α d Fig. 4.4 Reificador monofásico de meia onda a irisor com diodo de circulação. Se o ângulo de disparo for elevado, é provável que a correne se anule anes do próximo disparo, caracerizando condução desconínua. Da mesma forma ocorre quando a carga apresena baixa consane de empo L / R, ou em ouras palavras, se a carga for pouco induiva. Por ouro lado, para baixos ângulos de disparo e cargas com elevada consane de empo, possivelmene a condução será conínua. Seja a expressão seguine para o calculo do valor médio da ensão na carga. V L MEDIO = 0,225 V S RMS (1 cosα ) d Noe que esa expressão é a mesma uilizada para o reificador de meia onda com carga resisiva pura. Porano, agora o valor médio da ensão na carga independe do ângulo de exinção β, ou seja, independe da carga. Desa forma, para uma dada carga induiva, o diodo de circulação provoca um aumeno no valor médio da ensão na carga, em relação à esruura sem ese diodo. 4.2 Reificador Monofásico Conrolado de Onda Complea em Pone a) Carga resisiva O reificador, ambém chamado de pone monofásica conrolada, é formado por quaro SCR s que são comandados aos pares: T1T4 e T2T3, como mosra a Figura 4.5. Quando a ensão de enrada é posiiva, os SCR s T1 e T4 podem ser disparados, permiindo um caminho para a correne circular enre a fone e a carga. Com carga resisiva, a correne chega a zero juno com a ensão, nese insane ese par de irisores é corado. No semiciclo negaivo da rede, os SCR s T2 e T3 conduzem a parir do pulso de gailho, desa forma a correne de carga permanece unidirecional, mesmo que a fone seja alernada. Prof. Marcio Brumai 35