Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II. Aula 21 Tiristores. Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

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1 Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II Aula 21 Tiristores Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

2 Circuitos Elétricos e Eletrônicos TEORIAS:. Leis básicas.. Lei de Ohm.. Lei das tensões de Kirchhoff.. Lei das correntes de Kirchhoff. Métodos de análise.. Análise nodal.. Análise de malhas.. Correntes fictícias de Maxwell. Teoremas de rede.. Circuitos lineares.. Princípio da Superposição.. Teoremas de Thévenin.. Teoremas de Norton.. Transferência máxima de potência. Bipolos, quadripolos, geradores, receptores. Circuitos em regime permanente CC. Circuitos em regime permanente CA.. Excitação senoidal, fasores.. Circuitos de 1ª e 2ª ordem.. Circuitos RL, RC, RLC.. Filtros passivos. Circuitos monofásicos e polifásicos.. fator de potência.. Ligações estrela e triângulo. Análise em regime transitório.. Resposta ao degrau e ao impulso. Análise em regime permanente.. Valor médio e eficaz.. Energia, potência. Magnetismo e eletromagnetismo.. Transformadores.. Trimpots.. Potenciômetros.. Trimmer.. variáveis. Resposta em frequência. Transformada de Laplace. Análise de Fourier. Processamento de sinais (analógico e digitais). Automação e Controle Elétrica.. Solenóides.. motores Elementos Passivos:. Resistores. Capacitores Elementos ativos:. Válvulas. Semicondutores.. Diodos Elétrica. Transformadores. Motores. Geração/Transmissão/Distribuição. Instalações Residenciais/Prediais/Industriais. Filtros Passivos Eletrônica Analógica:. Retificadores/ Ceifadores/ Grampeadores/ Multiplicadores de tensão. Fontes de alimentação(reguladores de tensão). Amplificadores. Filtros Ativos. Geradores de sinais: Osciladores/ Multivibradores. Circuitos de Instrumentação. Circuitos integrados. Indutores Eletrônica Digital:.. Transistores.. Tiristores Fontes de alimentação:. Corrente contínua/alternada. dependente/independente Circuitos Integrados:. Amp-op. Portas lógicas. etc Eletrônica Digital Eletrônica Analógica Transmissão de dados:. Sistemas analógicos. Sistemas digitais Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino.. de junção.. Zener.. Schottky.. Emissor de luz.. Fotodiodos.. BJT.. SCR.. Diac/Triac.. GTO.. SCS.. JFET.. MOSFET.. IGBT.. UJT Eletrônica de Potência APLICAÇÕES:. Portas digitais. Circuitos combinacionais.. Codificadores e decodificadores.. Multiplexador e demultiplexador.. Somador e subtrator. Circuitos sequenciais.. Flip-flop RS, JK, D e T. Registradores. Contadores síncronos e assíncronos. Memórias. Conversores A/D e D/A Eletrônica de Potência:. Classes de amplificadores: A, B, AB, C,etc. Reguladores.. Regulador CA ou controlador CA (CA p/ca).. Regulador CC: chopper ou recortador (CC p/cc). Conversores de potência.. Retificadores de potência (CA p/ CC).. Inversores de potência (CC p/ CA).. Inversores de frequência.. Conversores de fator de potência: compensador. Acionamento de máquinas Prof a. Dra. elétricas Giovana Tripoloni Tangerino

3 DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES Diodos: 2 camadas PN chaveamento Junção PN, zener, Schottky, diodo túnel, emissor de luz, fotodiodo, varicap Transistores: 3 camadas PNP ou NPN Amplificação e chaveamento de potência BJT, FET, MOSFET, IGBT, UJT Tiristores: 4 camadas PNPN Chaveamento de potência SCR, GTO, triac, diac, SCS, MCTMOS Vantagem: converter e controlar grandes quantidades de potências em sistemas AC ou DC, utilizando apenas uma pequena potência para o controle.

4 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pela variação da tensão de alimentação (transformador variável) ou pela inserção de um regulador (chave). Eletrônica de Potência trata da aplicação da eletrônica dos semicondutores (dispositivos de estado sólido) para o controle e conversão da energia elétrica em níveis altos de potência aplicados à indústria.

5 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Potência: cuida de equipamentos de potência rotativos e estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica Eletrônica: trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido para o processamento de sinais que permitam alcançar os objetivos de controle desejados. Controle: trata das características dinâmicas e de regime permanente dos sistemas de malha fechada.

6 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Objetivos Principais: Controle e conversão de energia com alta eficiência e qualidade. Postulado básico: o dispositivo básico na construção dos circuitos conversores de potência (conversores estáticos) deve ser um elemento que se comporte como uma chave interruptora. 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. Parâmetros controlados: tensão, corrente e frequência

7 ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Aplicações: Transmissão de energia a grandes distâncias em DC. Acionamentos elétricos Tração elétrica Controle de iluminação Fontes ininterruptas de energia Fontes chaveadas Robótica Automação predial e industrial Controle de temperatura Utilidades domésticas

8 DISPOSITIVOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Regulador: permite o controle intermediário de CA ou CC Regulador CA ou controlador CA: converte CA para CA sem alteração da frequência Regulador CC (Chopper ou recortador): converte CC para CC Retificador: converte potência CA para CC Inversor: converte potência CC para CA Conversor: termo geral Conversor CA/CC e CC/CA: conversor que pode operar tanto como retificador como inversor. Conversor de frequência: conversor em que a frequência de saída é geralmente diferente da frequência CA de entrada Conversor de fator de potência (compensador estático): conversor utilizado para controlar o fator de potência de um sistema CA.

9 CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA Chave eletrônica: Dispositivo elétrico de controle de fluxo de potência. Chave ideal: não há perda de potência. Queda de tensão nula, quando fechada (V=0, P=V.I=0) Corrente nula, quando aberta (I=0, P=V.I=0) Abre e fecha instantaneamente (Δt=0)

10 CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA Principais chaves semicondutoras: Diodo BJT MOSFET IGBT SCR TRIAC GTO Principais elementos de disparo: UJT DIAC

11 TRANSISTORES DE POTÊNCIA Apresentam características de chaveamento controlada. Transistores utilizados como elementos de chaveamento, operam na região de saturação, apresentando uma baixa queda de tensão de condução (V CE =0) A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior do que a dos tiristores, sendo largamente utilizados em conversores CC/CC e CC/CA, apresentando internamente, um diodo conectado em paralelo (manter um caminho para a corrente). As especificações de tensão e corrente ainda são menores que a dos tiristores, sendo então aplicados em baixa e média potência. O chaveamento de um transistor é mais simples que o chaveamento de um tiristor por comutação forçada. Os transistores de potência podem ser divididos em: BJT (Transistores de junção bipolar) MOSFET (Metal-oxide-semicondutor-field-effect-transistor SIT (static induction transistor) IGBT (insulated-gate-bipolar-transistor)

12 IGBT Transistor Bipolar de Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistor Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento. Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim

13 UJT Transistor de Unijunção (Unijunction Transistors) ou transistor de dupla base Dispositivo semicondutor com três terminais (base 1, base 2, emissor) e uma junção Construído a partir de uma barra de material N na qual existe uma ilha de material P. Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs Uma das principais aplicações do UJT é como oscilador de relaxação operando na região de resistência negativa. Os osciladores de relaxamento são usados para gerar os pulsos de acionamento para dispositivos maiores (gerar o disparo) como SCRs e TRIACs. Após ter disparado, o UJT só volta a cortar novamente quando a tensão de emissor não for mais suficiente para manter a polarização direta da junção (Tensão de vale). O UJT mais usado comercialmente é o 2N2646

14 OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT O UJT tem dois parâmetros importantes: Tensão de disparo (V P ) Valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminhão entre o emissor e a base 1 início do disparo do UJT Tensão de Vale (V V ) Valor de tensão que, após a entrada em condução bloqueia o caminho Fim do disparo do UJT. Considerar inicialmente o capacitor descarregado. Ao ligar a fonte V BB ao circuito, o capacitor começa a carregar exponencialmente. Enquanto o valor da tensão do capacitor não alcançar o valor do parâmetro V P, o UJT estará bloqueado, isto é, passará uma pequena corrente pelo caminho entre os terminais de base. Esta corrente produz uma pequena queda de tensão no resistor R B1. No momento que a tensão do capacitor atinge o parâmetro V P, 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 E=B1 torna-se gradativamente maior até o ponto em que a tensão do capacitor cai até o parâmetro V V. Deste modo, o UJT sai de condução proporcionando uma nova recarga do capacitor. Fonte: Apostila de eletrônica de potência, Jefferson Pereira da Silva, IFRN

15 TIRISTORES O nome tiristor se aplica a qualquer chave de estado sólido construída a partir de quatro camadas alternadas PNPN, podendo ter dois, três ou quatro terminais e conduzir em uma ou duas direções. São chaves eletrônicas utilizadas em alguns circuitos nos quais se necessita controlar o estado ligado. São capazes de conduzir correntes de valores elevados e de bloquear valores altos de tensão para aplicações com valores altos de potência, mas as frequências de chaveamento não podem ser tão altas. estado sólido: não possuem elementos mecânicos ou qualquer tipo de peça móvel.

16 DIODO SHOCKLEY Ou diodo de quatro camadas unilateral Dispositivo que origina toda a família de tiristores. Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução. Com polarização reversa se comporta como um diodo comum, com altíssima resistência. Com polarização direta, o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que a tensão de breakover (V BO ) Quando a tensão no dispositivo atingir esse valor, o dispositivo conduz bruscamente (disparo). Após disparar, a tensão cai para aproximadamente 1V e voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção, V H (I H ).

17 SCR Retificador Controlado de Silício (Silicon Controlled Rectifier) É basicamente o diodo de quatro camadas com o terceiro terminal de controle (porta) para injeção de corrente e controlar o disparo. Para o SCR começar a conduzir é preciso que se aplique uma corrente no gatilho, quando a tensão anodo-catodo for positiva. pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto espaço de tempo. Só pode disparar com o anodo positivo em relação ao catodo e com o gate positivo em relação ao catodo. Uma vez estabelecida a condução, o sinal no gatilho não é mais necessário para manter a corrente no anodo. O SCR continuará a conduzir enquanto a corrente no anodo permanecer positiva e acima de um valor mínimo (nível de manutenção, I H ). Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução após disparo.

18 DIODO SCR

19 SCR

20 GTO Tiristor de desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor) entra em condução com uma corrente no gatilho de curta duração se a tensão do anodo-catodo for positiva. Diferente do SCR, o GTO pode ser desligado com uma corrente negativa no gatilho Adequado para aplicações em que ambos os controles de ligamento e de desligamento de uma chave são necessários.

21 DIAC Diodo de quatro camadas bilateral (diode for Alternating Current). É um gatilho (chave) bidirecional, disparado por tensão. Normalmente a tensão de disparo ocorre entre 20 e 40V. É um diodo que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida Dispositivo de quatro camadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar o valor de breakover (V BO ), voltando a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção (V H (I H )). O componente não tem polaridade Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão Aplicação: Útil para aplicações AC, proteção de circuitos e disparo de TRIACs. O DIAC é feito para operar basicamente em conjunto com o TRIAC. Diac comerciais: BR100, DB2

22 TRIAC Usado quando é necessário controlar a potência em um circuito AC, com corrente nos dois sentidos. Equivalente a dois SCRs em antiparalelo, ou um DIAC com o terceiro terminal de controle, o gate. Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser regulada seja maior do que os valores nominais dos dispositivos. É usado basicamente como chave de estado sólido em CA, substituindo em alguns casos e com vantagens as chaves mecânicas (relés, contactores etc). Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz ou 50Hz. Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo Tem quatro possibilidades de ser disparado. Máxima tensão que pode ser aplicada no dispositivo com a porta aberta (I G =0) sem que haja condução. Mais econômico e fácil de controlar. Limitações: baixa velocidade, que restringe a frequência operacional. Triac comercial: TIC226

23 TRIAC

24 Controle de disparo com UJT

25 Controle de disparo com DIAC A rede R1, R2 e C1 defasa a tensão sobre C1. O capacitor se carrega até atingir a tensão de disparo do DIAC. O DIAC entra em condução e cria um caminho de baixa impedância para o capacitor descarregar-se sobre o gatilho do TRIAC. A corrente de descarga do capacitor é suficiente elevada para conseguir disparar TRIACs de baixa potência, mesmo com valores relativamente baixos de capacitância.

26 COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA Limites de operação de componentes semicondutores de potência Distribuição dos componentes semicondutores, indicando limites aproximados para valores de tensão de bloqueio, corrente de condução e frequência de comutação. (2004) Fonte: apostila Eletrônica de Potência, J.A. Pomilio

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28 Visão geral: Dispositivos Semicondutores (diodos) Diodo de junção PN Diodo Zener Diodo Schottky Trabalha com baixas tensões e em alta frequência Pode desligar muito mais rapidamente do que o de junção PN Frequências de chaveamento muito maiores Emprego: retificadores em aplicações de baixa tensão, em que a eficiência de conversão é o ponto importante Fontes de alimentação chaveadas que operam em frequências iguais ou maiores do que 20 Hz. Extremamente rápido, opera na casa dos GHz Diodo túnel ou diodo Esaki

29 Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores) BJT Transistor Bipolar de Junção (Bipolar Junction Transistor) JFET Controlado por corrente Velocidade de chaveamento mais lenta que o MOSFET Em aplicações de alta tensão, um BJT é preferível, mesmo que às custas de perdas de desempenho em alta frequência Controlado por tensão MOSFET Transistor de Efeito de Campo Metal-Óxido- Semicondutor (Metal-Oxide- Semiconductor Field Effect Transistor) Controlado por tensão Transistor de chaveamento rápido Preferíveis em aplicações com altas frequências Alta impedância de entrada Apropriado para baixas potências (até alguns quilowatts)

30 Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores) IGBT Transistor Bipolar de Porta Isolada (Insulated Gate Bipolar Transistor UJT Transistor de Unijunção (Unijunction Transistors) Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento. Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs Dispositivo ideal para utilização em osciladores de relaxamento, usados para disparo de um SCR

31 Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores) SCR Retificador Controlado de Silício (Silicon Controlled Rectifier) GTO Tiristor de desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor) DIAC Chave semicondutora de três camadas e dois terminais Para passar o tiristor ao estado ligado é preciso que a porta receba um pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto espaço de tempo Permanece no estado ligado enquanto a corrente ficar acima de um certo valor Chaveamento Passa para o estado ligado com um sinal positivo na porta Passa para o estado desligado com uma corrente de porta negativa Qualidades melhoradas de chaveamento. Tempo de desligamento muito menor que o SCR Valores nominais de tensão e corrente menores que o SCR Queda de tensão mais alta no estado ligado Uso: acionamento de motores, fontes de alimentação de funcionamento contínuo, choppers e inversores. A única maneira de o dispositivo passar para o estado ligado é excedendo a tensão de disparo Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão Útil para aplicações AC

32 Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores) Triac SCS Chave controladora de Silício MCT Tiristor Controlado MOS (MOS Controlled Thyristor) Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo Mais econômico e fácil de controlar Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser regulada seja maior do que os valores nominais dos dispositivos Limitações: baixa velocidade, que restringe a freq. operacional Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz Pode passar para o estado ligado com aplicação de pulso positivo na porta do cátodo ou com um pulso negativo na porta do ânodo. Se estiver ligado, passará para desligado com um pulso positivo na porta do ânodo ou um pulso negativo na porta do cátodo MOS+SCR Queda de tensão baixa no estado ligado e baixo tempo de desligamento Exige corrente de porta menor para o desligamento do que o GTO Desvantagem: baixa capacidade de bloqueio de tensão inversa Diodo Shocley