Eletrônica Industrial para Automação

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1 Eletrônica Industrial para Automação Introdução 1) Classificação de conversores 2) Conceitos de eletrônica de potência 3) Chaves eletrônicas 4) Exercícios 5) Cálculos de potência Prof. Dr. Marcos Lajovic Carneiro

2 Eletrônica de Potência Circuitos de eletrônica de potência Conversão de energia de uma forma para outra usando dispositivos eletrônicos. - Dispositivos eletrônicos utilizados como chave. - Controle de corrente e tensão. - Processamento de potência de miliwatts até megawatts. Projeto de equipamentos de conversão interdisciplinar - Teoria de circuitos - Eletrônica - Eletromagnetismo - Microprocessadores (circuitos de controle) - Transferencia de calor

3 1) Classificação de conversores Entrada ac / saída dc Ex: 220V AC para 19V DC (retificador) Entrada dc / saída ac Ex: 12V DC para 220V AC (inversor) Interface entre fonte e carga Entrada dc / saída dc Ex: 12V para 5V Entrada ac / saída ac Ex: Dimerização de luz, controle de velocidade de motor de indução.

4 1) Classificação de conversores Classificação dos conversores: - A direção do fluxo de potência (principalmente) - Formato da onda de tensão

5 1) Classificação de conversores Dois ou mais conversores podem ser usados em um processo com múltiplas etapas

6 1) Classificação de conversores Conversor DC-DC básico (e ineficiente): Divisor de tensão Criando fonte de 3V a partir de uma de 9V. 2 vezes mais potência é dissipada na resistência 2.RL do que na carga RL desejada Eficiência de 33.3% 66.6% de perda em calor Se a carga RL mudar a tensão sobre ela também muda. Ajuste necessário em 2.RL Possível uso de um transistor como resistência variável. Porém, o problema de baixa eficiência permanece.

7 Conversor DC-DC chaveado Chave ideal Fechada = curto Aberta = circuito aberto Tensão instantânea na carga Potência consumida na chave P=V.i Chave aberta: i= 0 P=0 Chave fechada: V=0 P=0 Potência consumida na chave = 0 Toda potência é dissipada na carga Eficiência = 100% Tensão média na carga

8 Inserindo um filtro passa-baixa para remover todos os harmônicos, deixando passar apenas a tensão dc (média) A saída é então puramente dc para um filtro ideal Filtro Ideal Eficiência 100% Filtro real Eficiência por volta de 90% Domínio do tempo Domínio da frequência Filtro passa baixa Domínio da frequência Domínio do tempo

9 Inserindo um filtro passa-baixa para remover todos os harmônicos, deixando passar apenas a tensão dc (média) A saída é então puramente dc para um filtro ideal Redução do tamanho e peso do filtro: Redução do tamanho dos componentes Aumento da frequência de chaveamento

10 O controle do chaveamento pode compensar variações em Vs e regular a saída

11 Revisão/Resumo Espectro de potência e transformada de Fourier Osciloscópio: uma ferramenta comumente usada para visualizar sinais no domínio do tempo. Analisador de espectro: uma ferramenta usada para visualizar sinais no domínio da frequência. Um gráfico no domínio do tempo mostra como um sinal varia ao longo do tempo; em contraste, um gráfico no domínio da frequência, comumente chamado de espectro de frequências, mostra quanto do sinal reside em cada faixa de frequência.

12 Onda quadrada no domínio do tempo Revisão/Resumo Espectro de potência e transformada de Fourier Transformada direta de Fourier Onda quadrada no domínio da frequência Transformada inversa de Fourier Toda onda periódica pode ser escrita como uma série de senos e cossenos: f(x) = a 0 + a 1 sen(x) +a 2 sen(2x) +a 3 sen(3x) b 1 cos(x) + b 2 cos(2x) +... Onda quadrada escrita como uma série de senóides (Transformada direta de Fourier da onda quadrada): f(x) = 1/2 + (2) sen(x) + (2/(3)) sen(3x) + (2/(5)) sen(5x) + (2/(7)) sen(7x)

13 Revisão/Resumo Espectro de potência e transformada de Fourier Onda quadrada no domínio da frequência A1 Ao A2 A3 A4 A5 f(x) = 1/2 + (2) sen(x) + (2/(3)) sen(3x) + (2/(5)) sen(5x) + (2/(7)) sen(7x)

14 Revisão/Resumo Espectro de potência e transformada de Fourier Uma função pode ser convertida do domínio do tempo para o domínio da frequência através de um operador matemático chamado genericamente de transformada integral. Um exemplo é a transformada de Fourier, que decompõe uma função na soma de um número (potencialmente infinito) de componentes senoidais, produzindo um espectro de frequências. A transformada inversa correspondente converte esse espectro de volta para o domínio do tempo, ou seja, para a função original. *Existem ainda transformadas que permitem a conversão para um domínio misto do tempo e da frequência ao mesmo tempo, como é o caso da transformada de wavelet. Outros exemplos: Tranformada de Laplace, Transformada Z,

15 Revisão/Resumo Espectro de potência e transformada de Fourier Domínio do tempo Domínio da frequência

16 Chaves Eletrônicas

17 Diodos A mais simples das chaves Não pode ser controlada Características importantes de projeto: - Tempo de recuperação frequência máxima de funcionamento - Corrente máxima - Tensão de limiar (dependendo da aplicação) Característica real Característica ideal

18 Diodos Corrente reversa de recuperação Corrente negativa durante o chaveamento de ligado para desligado Tempo de recuperação reverso Normalmente: trr < 1us Importante para aplicações de alta frequência

19 Diodos Diodo de rápida recuperação Menores trr Aplicações de alta frequência Material: Carbeto de silício (SiC) Diodo Schottky Diodo Comum Junção metal-silício Queda de tensão: 0,3 V Aplicações de baixa tensão Tensão reversa em torno de 100V Chaveamento mais rápido Sem o transitório de recuperação Junção P-N (silício dos dois lados) Queda de tensão: 0,7 V

20 Tiristores Aplicações que necessitam do controle da chave de aberto para fechado CONTROLE OFF ON Familia de dispositivos com 3 terminais: SCR Retificador controlado de silício Triac GTO Gate turnoff thyristor MCT Tiristor controlado MOS Outros.. Utilizado para altas correntes e tensões.

21 Tiristores SCR Retificador controlado de silício Terminais: Anodo (A), Catodo (K) e Porta (G) Disparo - etapas: 1 ) Tensão entre anodo e catodo. 2 ) Corrente entrando no gate Depois de disparado, a corrente do gate pode ser retirada que ele continua a conduzir. Necessida de apenas um pulso de corrente para conduzir Conduz enquanto: Corrente é positiva e acima de um nível mínimo.

22 Tiristores GTO Gate TurnOff thyristor Terminais: Anodo (A), Catodo (K) e Porta (G) Disparo - etapas: 1 ) Tensão entre anodo e catodo. 2 ) Corrente entrando no gate Depois de disparado a corrente do gate pode ser retirada que ele continua a conduzir. Necessida de apenas um pulso de corrente para conduzir MUITO GRANDE! Condução pode ser interrompida Pulso de corrente (micro-segundos) saindo do gate interrompe a condução. Pulso de corrente da ordem de 1/3 da corrente entre anodo e catodo.

23 Tiristores TRIAC Capaz de conduzir nos dois sentidos Funcionalidade igual a de dois SCRs ligados em paralelo e em sentidos contrários. Muito usado para dimerizar luzes. Controle do ciclo positivo e negativo da senoide de tensão.

24 Tiristores MCT MOS-CONTROLED THYRISTOR Funcionamento equivalente ao do GTO porém sem necessidade de alta corrente de desligamento. Formado por um SCR e dois MOSFETs integrados no mesmo dispositivo Um MOSFET liga o SCR e outro desliga o SCR. Condução disparada por uma tensão adequada entre Gate e Catodo (ao contrário do uso de corrente no GTO)

25 Atividades Ler capítulo 1 Hart Baixar PSPICE

26 TRANSISTORES Em aplicações de eletrônica de potência são usados em dois estados: - Completamente aberto - Completamente fechado * Não são utilizados como amplificador linear Ao contrário do diodo, estados ON e OFF são controlados. Tipos de Transistores: - MOSFET - Transistor bipolar de junção (BJT) - Dispositivos hibridos: IGBT transistor bipolar de junção de gate isolado

27 MOSFET Dispositivo controlado por tensão (Vgs) Pode ser modelado como resistência variável ou chave ideal Pode suportar tensões da ordem de 1500V e correntes de 600A Chaveamento mais veloz que do BJT (pode trabalhar em frequências de megahertz) Diodo parasita de corrente reversa (substrato) Região linear resistiva R DS(on) (miliohms) Modelagem como chave ideal

28 Transistor de Junção Bipolar (TBJ) Dispositivo controlado por corrente (i B ) Conduz quando a corrente na base atinge determinado nível Tensão de saturação Vce entre 1V e 2V para BJT de potência Baixos valores de h FE (ganho) para BJTs de potência (abaixo de 20) Necessidade de altas correntes de base Circuito de controle acaba sendo também um circuito de potência Modelagem como chave ideal

29 Transistor de Junção Bipolar (TBJ) Configuração Darlington 2 BJTs ou circuito completo integrado Ganho do arranjo é aproximadamente igual ao produto do ganho individual de cada BJT. Permite redução da corrente de controle. BJT raramente é utilizado em novas aplicações, tornou-se obsoleto devido ao MOSFET e ao IGBT. Configuração Darlington

30 Transistor Bipolar de Porta Isolada (Insulated-Gate Bipolar Transistor - IGBT) Conexão integrada entre MOSFET e BJT. Circuito de controle semelhante ao do MOSFET Característica do circuito ligado semelhante ao do BJT

31 Códigos dos transistores Os códigos dependem do fabricante, da máxima corrente, máxima tensão, ganho e outras especificações. Transistores mais comuns: Baixa potência (BC, BF,...) BC548, BC558, BC337, BC327, BF494, BF422, BF423, 2SC1815, 2SA1015, 2N2222, etc Média potência (BD, TIP,...) BD139, BD140, TIP41, TIP42, BUW84, BF459, 2SD401, 2SD1414, 2SB667, 2SB578,etc Alta potência 2N3055, 2SC2365, 2SD1554, 2SD1877, 2SC4769, BU2508, BU208, etc.

32 Códigos dos transistores Sistema europeu Começa com letras. Se a 1ª letra for A, a peça é de germânio e se for B, é de silício. A 2ª letra indica o tipo e a função da peça da seguinte forma: A = diodo B = diodo varicap (capacitância ajustável) C = transístor de baixa frequência e baixa potência D = transístor de baixa frequência e média potência E = diodo túnel F = transístor de alta frequência e baixa potência L = transístor de alta frequência e alta potência M = elemento hall (magnético) N = fotoacoplador P = elemento sensível a radiação S = transístor de alta potencia para comutação U = transístor de alta potência para chaveamento Y = diodo retificador Z = diodo zener Exemplos: AC188 Transístor de germânio (antigo) para baixa frequência e baixa potência BD139 Transístor de silício (moderno) para baixa frequência e média potência

33 Códigos dos transistores Sistema americano - Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) 1N - diodo 2N transístor 3N dispositivos de 4 camadas 4N e 5N acopladores ópticos Os números sequenciais vão de 100 até A presença do sufixo pode indicar varias coisas. Por exemplo 2N2222A é uma versão melhorada do 2N2222 Exemplos: 1N4148 é diodo 2N3055 é transístor 1N914 (diodo), 2N2222, 2N2222A, 2N904 (transistor). NOTA: Quando uma versão metálica de um transistor JEDEC é refeita em encapsulamento plástico, muitas vezes é adicionado um numero ou letra. Por exemplo o transistor PN2222A é uma versão em plástico do 2N2222A. (metálico)

34 Códigos dos transistores Sistema japonês Pode começar com 1S se for diodo ou 2S se for transístor. Geralmente este prefixo não vem no corpo. Normalmente apresenta apenas uma letra seguida de um número. Se vier as letras A ou B, será PNP. Se for C ou D, será NPN. Exemplo: 2S C 1815 é um transistor NPN. Sistema Texas TIP Transístor de média ou alta potência; TIS Transístor de baixa potência; TIC Tiristor (SCR ou TRIAC). Exemplo: TIP31 é um transístor de média potência

35 Códigos dos transistores Sistema Motorola MJ Transístor de silício para alta potência; MP Transístor de germânio para alta potência; MPS Transístor de silício de baixa potência; MPF Transístor FET. Exemplos: MPSA42 é um transístor de silício de baixa potência; MJE13007 é um transístor de silício de alta potência.

36 Datasheet Manual do componente

37 Exercícios - Fazer download do Pspice Student (pequeno - 30MB) Dropbox *** Selecionar o Schematics durante a instalação. - Simular exemplo 1.2 (HART Eletrônica de potência) Instruções no livro pag.23 Lista Cap.1 Para o dia da primeira prova - Problemas 1-1, 1-2, 1-3 e 1-4.

38 Usar o Schematics

39 Resultados de simulação no PSpice Resultados de simulação do livro