RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ EDSON MICHELON BENTO MÁRCIO VICTOR DE LIMA RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE Trabalho de Diplomação, apresentado ao Departamento de Acadêmico de Eletrotécnica da UTFPR, unidade Curitiba, como requisito parcial para obtenção do título de Tecnólogo em Eletrotécnica, Modalidade Automação industrial. Orientador: José da Silva Maia, M. Engº. CURITIBA 2006

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE EDSON MICHELON BENTO MÁRCIO VICTOR DE LIMA RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE Este Trabalho de diplomação foi julgado como requisito parcial para a obtenção do Título de Tecnólogo em Eletrotécnica, Modalidade Automação em Acionamentos Industriais, do Curso Superior de Tecnologia em Eletrotécnica do Universidade Tecnológica Federal do Paraná Curitiba, 30 de janeiro de 2006. Profº. Márcio Aparecido Batista Coordenador de Curso Departamento Acadêmico de Eletrotécnica Profº. Andréia Costa Coordenadora de Trabalho de Diplomação Departamento Acadêmico de Eletrotécnica BANCA EXAMINADORA Prof. M. ENGº José da Silva Maia Universidade Tecnológica Federal o Paraná Orientador Prof. Universidade Tecnológica Federal o Paraná Prof. Universidade Tecnológica Federal o Paraná

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE DEDICATÓRIA Oferecemos este trabalho à nossos pais, que sempre nos apoiaram, incentivaram e investiram seus esforços, com o objetivo de nos projetar para um futuro melhor.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE AGRADECIMENTOS - A Deus que iluminou todos os passos do nosso trabalho. - Ao Professor José da Silva Maia, M. Engº, pela dedicação, competência, respeito e paciência na orientação deste trabalho. - A nossa família e a namorada do Edson, Valéria Gomes de Mello, pela compreensão de nossa ausência e pelas palavras de incentivo que nos impulsionaram a trilhar esta jornada.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE RESUMO Aliando o estudo do controle de potência e a oportunidade de contribuir para o aprendizado e ensinamento sobre o assunto foi produzido um protótipo modular de um retificador semicontrolado para carregar bateria, que poderá vir a ser utilizada durante aulas na UFTPR. A estrutura do módulo de potência é a parte responsável pela conversão de tensão e corrente alternadas em tensão e corrente contínuas, este processo leva o nome de retificação, que neste caso é semi-contolada. Para realizar os disparos dos SCR s foram desenvolvidas estratégias que se utilizam de UJT e TCA 785 que são componentes utilizados para o controle de disparo. Este controle deve satisfazer as necessidades da carga, no caso o acumulador. Palavras-chave: eletrônica de potência, carregador de bateria, UJT, TCA 785.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE ABSTRACT Allying the study of the potency control and the opportunity of contributing for the learnig/teaching on the subject a moodular portotype was produced of a rectifier semicontrolled to carry banks of batteries, breaking of a proposed model.the structure of the potency module is the responsible part for the tension conversion and alternating current in tension and continuous current, this process takes the name of rectification, that is semicontrolled in the case of this work. The components that are used to control the trigger of the SCR s gates are UJT and TCA 785. This control owes to satisfy the needs of the load, in the case the accumulator. Key-words: potency electronic, accumulator, UJT, TCA 785.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 VISTA INTERNA DO RETIFICADOR MODELO... 14 FIGURA 2 RETIFICADOR PROTÓTIPO... Erro! Indicador não definido. FIGURA 3 RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA RESISTIVA... 19 FIGURA 4 RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA INDUTIVA... 20 FIGURA 5 CARGA INDUTIVA COM UM FWD... 23 FIGURA 6 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TERMINAL CENTRAL... 25 FIGURA 7 RETIFICADOR MONOFÁSICO, ONDA COMPLETA, DIODO PONTO MÉDIO... 26 FIGURA 8 RETIFICADOR COM TERMINAL CENTRAL COM CARGA INDUTIVA... 27 FIGURA 9 FORMAS DE ONDA DE CORRENTE, CARGA BASTANTE INDUTIVA... 28 FIGURA 10 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE... 29 FIGURA 11 RETIFICADOR EM PONTE... 30 FIGURA 12 FORMAS DE ONDA PARA UM RETIFICADOR EM PONTE... 30 FIGURA 13 CIRCUITO RETIFICADOR EM PONTE, CARGA INDUTIVA... 31 FIGURA 14 FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA 13 (L R)... 31 FIGURA 15 FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA13 (L >> R)... 32 FIGURA 16 RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA... 34 FIGURA 17 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM CARGA RL... 36 FIGURA 18 CARGA RL COM FWD... 37 FIGURA 19 CIRCUITO RETIFICADOR, ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL... 38 FIGURA 20 FORMAS ONDA, RETIFICADOR ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL... 39 FIGURA 21 FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RL... 40 FIGURA 22 RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RESISTIVA RL E FWD... 41 FIGURA 23 CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE... 42 FIGURA 24 FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, CARGA RESISTIVA... 43 FIGURA 25 RETIFICADOR EM PONTE COM CARGA RL... 44 FIGURA 26 FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, BAIXA CARGA INDUTIVA... 44 FIGURA 27 FORMAS DE ONDA DE UM RETIFICADOR EM PONTE COM L>>>R... 45 FIGURA 28 CARACTERÍSTICA DE CONTROLE, RETIFICADOR EM PONTE... 46 FIGURA 29 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE COM FWD... 47 FIGURA 30 FORMAS DE ONDA DE TENSÃO E DE CORRENTE PARA A FIGURA 29... 47 FIGURA 31 CIRCUITO SEMICONTROLADO, ONDA COMPLETA EM PONTE... 48 FIGURA 32 FORMAS ONDA, RETIFICADOR PONTE,SEMICONTROLADO, CARGA RL... 49 FIGURA 33 RETIFICADOR SEMICONTROLADO EM PONTE COM FWD... 51 FIGURA 34 TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO (UJT)... 52 FIGURA 35 CIRCUITOS OSCILADOR DE RELAXAÇÃO... 53 FIGURA 36 FORMAS DE ONDA DO OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT... 54 FIGURA 37 CIRCUITO INTEGRADO DE DISPARO TCA 785... 55 FIGURA 38 REFERÊNCIA PARA O DETECTOR DE PASSAGEM POR ZERO... 56 FIGURA 39 SAÍDA DE UM GERADOR DE RAMPA... 57 FIGURA 40 COMPARADOR DE DISPARO DO TCA 785... 58 FIGURA 41 FORMAÇÃO DOS PULSOS DE DISPARO... 59 FIGURA 42 EXEMPLO DE APLICAÇÃO DO TRANSFORMADOR DE PULSO... 60 FIGURA 43 ACOPLADORES ÓPTICOS... 61 FIGURA 44 PILHA DE VOLTA... 63 FIGURA 45 ACUMULADOR... 64 FIGURA 47 PROCESSO DE ÓXIRREDUÇÃO ESPONTÂNEA... 66 FIGURA 48 PROCESSO DE ELETRÓLISE... 66 FIGURA 49 RETIFICADOR MODELO... 81 FIGURA 50 - PLACA RT... 83 FIGURA 51 - PLACA MCA... 83 FIGURA 52 PULSO DE DISPARO DO UJT... 84 FIGURA 53 TENSÃO DE DISPARO DO UJT... 85

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE FIGURA 54 TENSÃO NO TERMINAL B 2 DO UJT... 85 FIGURA 55 SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO DE DISPARO UJT... 86 FIGURA 56 CIRCUITO BASE DO TCA... 90 FIGURA 57 DIAGRAMA DA PLACA DO TCA 785... 91 FIGURA 58 CIRCUITO DO TCA... 92 FIGURA 59 TENSÃO DE REFERÊNCIA... 93 FIGURA 60 RAMPA DE CONTROLE... 93 FIGURA 61 RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 24V... 94 FIGURA 62 RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 26V... 95 FIGURA 64 RAMPA E TENSÃO DE CONTROLE, EM 29V... 96 FIGURA 65 PULSO DE DISPARO TCA... 97 FIGURA 66 PULSO SCR S... 97 FIGURA 67 SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 24V... 98 FIGURA 68 SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 25V... 98 FIGURA 69 SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 26V... 99 FIGURA 70 SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 27V... 99 FIGURA 71 SENÓIDE DO ÂNGULO DE DISPARO E PULSO SCR, EM 29V... 100 FIGURA 72 RETIFICADOR PROTÓTIPO... 101

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE LISTA DE QUADROS QUADRO 1 DURAÇÃO DE PULSOS C12... 47 QUADRO 2 CORRENTE DE DESCARGA... 60 QUADRO 3 TENSÃO NOS ACUMULADORES... 61 QUADRO 4 DENSIDADE DO ELETRÓLITO... 62 QUADRO 5 LISTA DE COMPONENTES DA PLACA RT...73 QUADRO 6 LISTA DE COMPONENTES DA PLACA MCA...74 QUADRO 7 TENSÃO DE CONTROLE NO PINO 11...97

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE LISTA DE SIGLAS SCR Silicon Controlled Rectifier / Retificador Controlado de Silício AC Alterned Current / Corrente Alternada DC Direct Current / Corrente Contínua CINDACTA 2 Segundo Centro Integrado de Defesa e Tráfego Aéreo UJT Unijunction Transistor / Transistor de Unijunção PCI Placa de Circuito Impresso DAELT Departamento Acadêmico de Eletrotécnica FWD Freewheeling-diode / Diodo de roda livre VRLA Valve Regulated Lead Acid / Acumulador Chumbo Ácido Regulado por Válvula AGM Abortive Glass Mat / Manta Lã de Vidro Absorvente CI Circuito Integrado TRIAC Triode/Triodo Vc Tensão de controle do pino 11 Vcr Tensão de controle da rampa, pino 10 Placa RT Placa de controle com UJT Placa MCA Placa módulo de controle automático carga/flutuação TP Transformador de pulso

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE SUMÁRIO RESUMO... 5 ABSTRACT... 6 LISTA DE FIGURAS... 7 LISTA DE QUADROS... 9 LISTA DE SIGLAS... 10 SUMÁRIO... 11 1 INTRODUÇÃO... 13 1.1 Tema... 13 1.2 Delimitação do tema... 14 1.3 Problema e premissa... 15 1.3.1 Problema... 15 1.3.2 Premissa... 15 1.4 Objetivos... 15 1.4.1 Objetivo geral... 15 1.4.2 Objetivos específicos... 16 1.5 Justificativa... 16 2 ESTRUTURA DO MÓDULO DE CONTROLE DE POTÊNCIA... 18 2.1 Introdução... 18 2.2 Retificação não controlada... 18 2.2.1 Retificador monofásico de meia-onda a diodo... 18 2.2.2 Retificador monofásico de onda completa com ponto médio... 24 2.2.3 Retificador monofásico de onda completa em ponte... 28 2.3 Retificação controlada... 32 2.3.1 Retificador monofásico controlado de meia-onda... 33 2.3.2 Retificador monofásico controlado de onda completa com terminal central... 38 2.3.3 Retificador monofásico controlado de onda completa em ponte... 42 2.3.4 Retificadores semicontrolados em ponte... 48 2.4 Justificativa da aplicação... 51 3 ESTRUTURA DAS MALHAS DE CONTROLE DE DISPARO... 52 3.1 Controle com UJT... 52 3.1.1 Circuito de disparo com UJT... 53 3.2 Controle com TCA 785... 55 3.3 Isolação de pulso de disparo... 60 3.3.1 Transformadores de pulso... 60 3.3.2 Acopladores ópticos... 61 4 ACUMULADORES... 62 4.1 Fatos básicos... 63 4.2 Acumulador elementar... 64 4.3 Princípio de funcionamento do acumulador... 65 4.4 Acumuladores chumbo-ácido... 67 4.4.1 Transformações eletroquímicas... 68 4.5 Acumulador alcalino níquel-cádmio tipo bolsa... 69 4.5.1 Transformações eletroquímicas... 69 4.6 Acumulador gel selado isento de gaseificação... 70 4.6.1 Transformações eletroquímicas... 71 4.7 Associação de acumuladores... 71 4.8 Definições para acumuladores... 72

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 4.8.1 Capacidade... 72 4.8.2 Tensão... 73 4.8.3 Carga... 74 4.8.4 Gaseificação... 75 4.8.5 Ciclo de descarga... 75 4.8.6 Auto-descarga... 76 4.9 Fatores ambientais e de segurança... 76 4.9.1 Ambiente para instalação... 76 4.9.2 Manuseio... 77 4.9.3 Informações de risco à saúde... 77 4.9.4 Primeiros socorros... 77 4.9.5 Risco de fogo ou explosão... 78 4.9.6 Compromisso com o meio ambiente... 78 4.10 Comparação entre acumuladores chumbo-ácido e alcalinos... 78 5 METODOLOGIA... 80 5.1 Analise de Fenômenos para Fundamentação... 80 5.1.1 Recuperação do Retificador Modelo... 81 5.1.2 Placas de Controle RT & MCA... 82 5.2 Instrumentos... 86 5.3 Procedimentos... 89 5.3.1 Placa Controle TCA... 89 5.3.2 Ensaio do Protótipo Retificador... 94 5.3.3 Protótipo do Retificador... 100 6 ANÁLISE DOS DADOS... 102 7 CONCLUSÃO... 103 REFERÊNCIAS... 104

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 13 1 INTRODUÇÃO 1.1 Tema O controle de fluxo de energia elétrica entre dois ou mais sistemas elétricos distintos sempre foi uma das grandes preocupações dos engenheiros eletricistas ao longo da história da engenharia elétrica. Para realizar tal controle, sempre foram procurados métodos que permitissem rendimentos elevados, visto que normalmente eles são empregados no tratamento de potências elevadas. Por isto foram concebidos interruptores tradicionalmente empregados, como relés e contactores. A necessidade de interruptores mais eficientes, compactos e rápidos levou ao desenvolvimento de interruptores eletrônicos. Assim, nos meados dos anos 60 surgiu o termo eletrônica de potência após a criação do SCR (retificador controlado de silício) pela General Electric nos Estados Unidos. A eletrônica de potência progrediu com rapidez nos últimos anos, com o desenvolvimento dos dispositivos semicondutores de potência que podem chavear altas correntes eficientemente em altas tensões. Uma vez que esses dispositivos oferecem alta confiabilidade e são de pequeno porte, a eletrônica de potência expandiu sua abrangência para diversas aplicações, uma delas são as fontes reguladas de energia. O extenso campo da engenharia elétrica pode ser dividido em três ramos principais: potência, eletrônica e controle. A eletrônica de potência trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, como tiristores e transistores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência. Essa conversão normalmente é de AC (corrente alternada) para DC (corrente contínua) ou vice-versa, enquanto os parâmetros controlados são tensão, corrente e freqüência. A simples retificação de AC para DC, por exemplo, é uma conversão de potência. Mas, caso se aplique ajuste de nível de tensão na retificação, tanto a conversão como o controle de energia elétrica, passam a estar envolvidos no processo. Portanto, a eletrônica de potência pode ser considerada uma tecnologia interdisciplinar que envolve três campos básicos: a potência, a eletrônica e o controle. (Eletrônica de potência, Guilherme Rebouças de Palma, p.4). A eletrônica de potência pode ser definida como uma ciência aplicada dedicada ao estudo dos conversores estáticos de energia elétrica. Um conversor estático pode ser definido como um sistema, constituído por elementos passivos (resistores, capacitores e indutores) e elementos ativos

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 14 (interruptores), tais como diodos, tiristores, transistores, GTO s, Triac s, associados a uma lei pré-estabelecida. Hoje, uma nova disciplina, a eletrônica de potência, descobre novas técnicas, componentes e circuitos para obter novas soluções para novos e antigos problemas. Na UTFPR, especificamente no curso de Tecnologia em Eletrotécnica, este assunto tem maior ênfase na disciplina de acionamento de máquinas, que trata das chaves de potência, drivers, conversores, inversores, nobreak..., resumindo, o controle da energia através de chaves eletônicas de potência. 1.2 Delimitação do tema Esta proposta vem apresentar um projeto que será desenvolvido na UTFPR unidade Curitiba, mais precisamente no departamento de eletrotécnica. Será construído um protótipo de retificador monofásico controlado de onda completa, para carregar baterias. Este protótipo possuirá duas estratégias de controle que se utilizarão dos recursos do oscilador de relaxação com UJT 2646 e do TCA 785. Este protótipo será baseado em um retificador industrial carregador de baterias. FIGURA 1 VISTA INTERNA DO RETIFICADOR MODELO FONTE: Autores.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 15 1.3 Problema e hipótese 1.3.1 Problema No Brasil as universidades públicas enfrentam dificuldades para manter suas estruturas e muito mais para oferecer uma condição privilegiada para o ensino devido à limitação de recursos imposta pelo governo. Na UTFPR não é diferente, isso obriga professores, alunos, enfim, a instituição, a buscar soluções alternativas que venham a amenizar as deficiências causadas pela falta de recursos. Um dos problemas que a falta de recursos traz é o pouco contato com experimentos, ensaios, desenvolvimento de projetos e pesquisas práticas, sendo que a demonstração da teoria desperta o estudante e o desafia a explorar seus potenciais. Equipamentos modulares de fácil utilização e simulação da realidade podem facilitar o processo do ensino e da aprendizagem da eletrônica e podem ser utilizados em Automação Industrial? 1.3.2 Hipótese Partimos da hipótese de que, a existência de módulos didáticos de um retificador industrial, acompanhado de seus diagramas esquemáticos e de uma diretriz de utilização, facilita o andamento das aulas de laboratório para as disciplinas que tenham a Eletrônica de Potência como parte dos seus objetivos curriculares. 1.4 Objetivos 1.4.1 Objetivo geral Produzir um protótipo modular de um retificador: carregador de baterias de 24V, para fins didáticos, que possibilite múltiplas estratégias de controle e implementar as placas utilizando-se dos recursos do oscilador de relaxação com UJT 2646 e do TCA 785, partindo-se de um modelo proposto.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 16 1.4.2 Objetivos específicos Interpretar e recuperar a funcionalidade do retificador carregador de bateria semicontrolado, que serve de modelo; Desenhar o layout, confeccionar as PCI s, montar e testar as placas do retificador protótipo; Desenvolver o circuito e implementar a PCI de acordo com o retificador estudado, utilizando-se estratégia de controle com TCA 785; Testar os procedimentos de usuário do retificador produzido. 1.5 Justificativa No decorrer do curso de tecnologia em eletrotécnica foram apresentadas matérias como Circuitos e Medidas, Instalações Elétricas, Conversão de Energia, Eletrônica, Projetos de Controle, Análise de Circuitos Digitais, Simulação de Sistemas Industriais, Acionamentos de Máquinas, Acionamentos Especiais... Porém, no caso de algumas disciplinas técnicas, o conteúdo exposto é essencialmente teórico, não por escolha do professor, mas por falta de uma estrutura adequada. Isto traz dificuldades para o acadêmico absorver o conteúdo de maneira eficiente e se perde a oportunidade de despertar no aluno o interesse e empenho pela disciplina. Esta condição deixa claro que para uma boa formação técnica é essencial que prática e teoria caminhem juntos. A partir de um retificador cedido por empréstimo pelo CINDACTA apresentouse a oportunidade de contribuir com a UTFPR aproximando a condição do laboratório do DAELT de uma situação mais confortável. Serão desenvolvidos módulos didáticos de um retificador com diferentes estratégias de controle. Este retificador terá uma contribuição expressiva para a disciplina de Manutenção de Sistemas Eletrônicos e da disciplina de Acionamentos de Máquinas que trata de forma mais específica da Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 17 1.6 Metodologia Esta pesquisa quanto à natureza é aplicada, abordando o problema de forma qualitativa. Quanto aos seus objetivos é explicativa, adotando o procedimento técnico de estudo de caso. Seria bom também salientar os limites da pesquisa, que visa uma pesquisa tecnológica, não se tratando de um trabalho essencialmente de projeto, com concepções e cálculos dedutivos... A base para a informação teórica necessária será obtida através da internet, de livros, em arquivos, de artigos e em revistas. Já o material para construção eletrônica será pesquisado nas lojas, revistas e também na internet. Com isso ter-se-á condição de finalizar a produção almejada pelo projeto do trabalho de diplomação de curso.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 18 2 ESTRUTURA DO MÓDULO DE CONTROLE DE POTÊNCIA 2.1 Introdução O processo de converter tensão e corrente alternadas em tensão e corrente contínuas leva o nome de retificação. Pode-se dividir os retificadores em: retificadores não controlados (que utilizam apenas diodos como elementos de retificação) e retificadores controlados (que utilizam em sua estrutura retificadora SCR, o que possibilita o controle do ângulo de condução). 2.2 Retificação não controlada Neste capítulo, serão apresentados os retificadores monofásicos não controlados. Desde os menos complexos como o de meia-onda (que opera utilizando apenas um diodo), até os mais elaborados, que é o caso do retificador de onda completa em ponte (que utiliza vários diodos em sua estrutura). O elemento chave da retificação não controlada é o diodo. Os diodos semicondutores encontram muitas aplicações em circuitos da engenharia elétrica e eletrônica. Os diodos são também amplamente utilizados em circuitos de eletrônica de potência para a conversão de energia elétrica, no caso, os conversores de AC em DC, também conhecidos como retificadores. 2.2.1 Retificador monofásico de meia-onda a diodo 2.2.1.1 Com carga resistiva pura A estrutura do retificador monofásico de meia-onda alimentando uma carga resistiva está representada na figura 3a. A tensão da fonte é uma onda senoidal com valor máximo V m, e período T. Durante o semiciclo negativo, a tensão no ânodo é negativa em relação à tensão no cátodo e o diodo passa para o estado desligado. Desta maneira, não existe fluxo de corrente através de R. Entretanto, durante o semiciclo positivo, quando a tensão no ânodo é positiva em relação à no cátodo, o diodo passa para o estado ligado. Isso permite que a corrente flua através do resistor de carga R. Assim, a tensão na carga (v 0 ) acompanha a meia-onda senoidal positiva, daí a origem do

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 19 nome retificador de meia-onda. A figura 3b mostra as formas de onda da tensão de saída (v 0 ) e da corrente na carga (i 0 ). O retificador em questão, dessa maneira, transforma potência AC em DC. A tensão de saída é pulsante DC e contém uma grande ondulação. Desta maneira constatamos, que circuitos retificadores de um pulso possuem baixo valor prático para aplicações em alta potência. (a) circuito (b) formas de onda FIGURA 3 RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA RESISTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 20 2.2.1.2 Com carga indutiva (RL) A estrutura do retificador monofásico de meia-onda alimentando uma carga indutiva (RL), como ocorre na prática, é mostrada na figura 4a. Abaixo segue o principio de funcionamento do circuito. (a) diagrama do circuito (b) Formas de onda de tensão e de corrente FIGURA 4 RETIFICADOR DE MEIA-ONDA COM CARGA INDUTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 21 Como no caso anterior, o diodo passará a conduzir (estado ligado), quando o ânodo se tornar positivo em relação ao cátodo. A tensão na carga é, desta forma, a mesma do semiciclo positivo da fonte AC; Neste meio tempo, a energia, transferida pela fonte AC, é armazenada no campo magnético que envolve o indutor; A corrente que circula em um indutor não varia instantaneamente. Portanto ela aumenta gradativamente até alcançar seu valor máximo. Preste atenção ao fato, de que a corrente não atingirá o valor de pico quando a tensão estiver no máximo. Isto devido ao fato de que a corrente, em um indutor, ficar atrasada em relação à tensão. No momento em que a fonte de tensão começa a decrescer, a corrente começará a diminuir gradativamente e chegará a zero no momento em que toda a energia armazenada pelo indutor for transferida para o circuito. Desta maneira fica claro que a corrente na carga, existe por pouco mais de metade do período inteiro. Automaticamente, o campo magnético que se extingue conecta-se ao indutor e induz uma tensão que se opõe à diminuição na tensão aplicada. No momento em que a corrente chegar a zero, o diodo ficará inversamente polarizado e permanecerá desligado durante o resto do ciclo negativo. As formas de onda são mostradas na figura 4b. No intervalo de 0 a π/2, a fonte de tensão v s aumenta de zero até o valor positivo máximo, enquanto a tensão no indutor v L se opõe à variação da corrente através da carga. Durante o intervalo π/2 a π, a fonte de tensão diminui de seu valor positivo máximo até zero. Paralelamente, a tensão induzida terá revertido sua polaridade e era se opor à diminuição de corrente. Ou seja, agora ajuda a corrente direta do diodo. Em π, a fonte de tensão se inverte e começa a aumentar até atingir seu valor negativo máximo. Todavia, a tensão no indutor é ainda positiva e sustenta a condução direta do diodo até reduzir-se a zero, ponto onde o diodo bloqueia. Observe que, mesmo o diodo estando inversamente polarizado, há nele um fluxo de corrente até que o ângulo θ = π + Ф seja atingido. Isso é resultado da energia armazenada no campo magnético que retorna à fonte.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 22 Se a indutância L da carga for aumentada, o diodo conduzirá corrente por mais tempo durante o ciclo. Caso a indutância L fosse infinita, a corrente que flui através do diodo seria completamente plana e, ou seja, contínua. Nesse caso, o diodo estaria ligado para o ciclo completo, a tensão nele seria zero e os valores de v s e v 0 seriam iguais. O circuito não mais retificaria e, portanto a corrente permaneceria alternada. Para aplicações industriais, de alta potência, circuitos de um pulso têm o uso limitado pela baixa tensão de saída e pela grande ondulação na tensão de saída DC. 2.2.1.3 Com carga indutiva e diodo de retorno roda-livre Modificando o circuito da figura 4a, chegamos à configuração que é mostrada na figura 5a, que é de uso prático em aplicações de baixa potência. Ainda é classificado como retificador de meia-onda, embora a corrente na carga possa fluir durante o ciclo inteiro. (a) diagrama do circuito

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 23 (b) formas de onda típicas com uma carga indutiva grande FIGURA 5 CARGA INDUTIVA COM UM FWD FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. O diodo (D 2 ), adicionado em paralelo com a carga, é conhecido como um diodo de retorno (freewheeling-diode FWD) ou diodo de roda-livre. Seu papel no circuito é impedir o surgimento de uma tensão negativa na carga. Durante o semiciclo negativo da tensão de alimentação, o FWD conduz e propicia um caminho alternativo para a corrente na carga. Nesse intervalo de condução, o diodo principal D 1 fica inversamente polarizado e pára de conduzir, reduzindo à zero o valor da corrente da fonte. O FWD também ajuda a impedir que a corrente na carga chegue a zero e desse modo reduz a ondulação. As formas de onda de tensão e de corrente mostradas na figura 5b parte do pressuposto que no circuito há uma alta indutância de carga. Quanto mais alta a indutância, mais plana se torna a corrente na carga.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 24 2.2.2 Retificador monofásico de onda completa com ponto médio Os retificadores monofásicos de meia-onda não são utilizados em larga escala devido basicamente a três fatores, são eles: baixa tensão média de saída, pouca eficiência e alto fator de ondulação. Essas limitações podem ser eliminadas pela retificação em onda completa. Os retificadores de onda completa são mais utilizados do que os de meia-onda por causa das tensões e correntes médias mais elevadas, da maior eficiência e do fator de ondulação reduzido. 2.2.2.1 Com carga resistiva pura O circuito do retificador de onda completa, com transformador com terminal central no secundário, é representado na figura 6a. A fonte de tensão e o resistor de carga são idênticos aos da meia-onda. No semiciclo positivo (figura 6b), o diodo D 1 conduz e D 2 está inversamente polarizado. A corrente flui através da carga e provoca uma queda positiva. Durante o semiciclo negativo (figura 6c), o diodo D 1 passa para o estado desligado e D 2 conduz. A corrente flui através de R, mantendo a mesma polaridade da tensão na carga (observar figura 6d). Conclui-se então, que a forma de onda da tensão na carga consiste em semiciclos sucessivos de uma onda senoidal, o que resulta em um valor médio e em uma freqüência de ondulação mais alta. (a) circuito (b) circuito equivalente durante o semiciclo positivo

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 25 (c) circuito equivalente durante o semiciclo negativo (d) formas de onda de tensão e de corrente FIGURA 6 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM TERMINAL CENTRAL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 26 FIGURA 7 RETIFICADOR MONOFÁSICO, ONDA COMPLETA, DIODO PONTO MÉDIO FONTE: BARBI, Ivo; Eletrônica de Potência. 2.2.2.2 Com carga indutiva (RL) Sabe-se que ao adicionar uma indutância em série com a resistência de carga, varia-se a tensão e a forma de onda da corrente, como já foi comentado anteriormente no item 2.2.1.2. No item citado, vimos que, a corrente na carga continua a fluir por um período após o diodo ficar inversamente polarizado, o que causa uma diminuição na amplitude da tensão média de saída. A figura 8a mostra o retificador de onda completa com terminal central com uma carga indutiva e tensão associadas, bem como a forma de onda de corrente. Como mostra a figura 8b, a corrente na carga alcançará o valor máximo quando a fonte de tensão (v s ) for igual a zero. Quando v s aumentar, em amplitude, durante o intervalo de 0 a π/2, o indutor se oporá ao fluxo da corrente e armazenará energia em seus campos magnéticos. Em π/2, quando v s alcançar seu máximo, a corrente na carga estará em seu mínimo. No intervalo entre π/2 e π, quando a fonte de tensão diminuir em amplitude, a tensão no indutor se oporá ao processo de diminuição da corrente na carga, como se isso fosse uma ajuda à fonte de tensão. Desta maneira, a corrente na carga aumentará até um valor máximo, quando então v s = 0. O processo se repete para cada semiciclo da onda senoidal retificada. A corrente na carga nunca vai a zero, uma vez que a energia armazenada no campo magnético mantém seu fluxo.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 27 (a) diagrama de circuito (b) formas de onda de tensão e de corrente FIGURA 8 RETIFICADOR COM TERMINAL CENTRAL COM CARGA INDUTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 28 Se a indutância da carga for grande o suficiente, a corrente será praticamente constante, como mostra a figura 9. FIGURA 9 FORMAS DE ONDA DE CORRENTE, CARGA BASTANTE INDUTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.2.3 Retificador monofásico de onda completa em ponte 2.2.3.1 Com carga resistiva pura Outra maneira de se obter uma retificação de onda completa é utilizando um retificador em ponte, como mostra a figura 10. Na estrutura deste retificador encontram-

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 29 se quatro diodos. Durante o semiciclo positivo da fonte de tensão (figura 11a), D 2 e D 3 encontram-se diretamente polarizados e poderão, desta maneira, ser substituídos por uma chave fechada. O fluxo de corrente na carga, nesse período, ocorre através de D 2 e da carga R; em seguida, por D 3 e de volta à fonte. Isso resulta em uma queda de tensão positiva em R. FIGURA 10 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. A figura 11b mostra o circuito de onda completa em ponte durante o semiciclo negativo da fonte de tensão. Agora, D 1 e D 4 estão diretamente polarizados e podem ser substituídos por chaves fechadas. O trajeto da corrente na carga passa através de D 4, de R, de D 1 e novamente vai até a fonte. O caminho da corrente através de R é o mesmo, no que diz respeito à direção, do outro semiciclo. Há, portanto, uma queda de tensão positiva em R em ambos os semiciclos. Então, o retificador de onda completa em ponte propicia corrente na caga durante ambos os semiciclos. As formas de onda do circuito são apresentadas na figura 2.10. (a) semiciclo positivo

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 30 (b) semiciclo negativo FIGURA 11 RETIFICADOR EM PONTE FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. FIGURA 12 FORMAS DE ONDA PARA UM RETIFICADOR EM PONTE FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 31 2.2.3.2 Com carga indutiva (RL) A inserção de uma indutância em série com a resistência de carga faz com que a forma de onda de tensão e de corrente varie. A figura 13 mostra um retificador em ponte com carga indutiva. Imaginemos que a indutância L seja aproximadamente igual a R. FIGURA 13 CIRCUITO RETIFICADOR EM PONTE, CARGA INDUTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. A corrente AC na linha não é mais senoidal; agora, aproxima-se de uma onda quadrada. A figura 14 mostra as formas de onda de tensão da corrente. FIGURA 14 FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA 13 (L R) FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 32 Se a indutância da carga for aumentada até se tornar muito maior do que R, a ondulação passa a ser pequena. Se supusermos uma indutância de carga infinita, a corrente passa a ser constante e o comportamento do circuito é aquele mostrado pelas formas de onda na figura 15. Os diodos D 2 e D 3 conduzem uma corrente constante para a carga no semiciclo positivo, os diodos D 1 e d 4 fazem o mesmo no semiciclo negativo. Embora não seja uma onda senoidal, a fonte de corrente AC é uma forma de onda alternada de forma retangular. A carga está sempre conectada à fonte, mas a ligação é invertida de maneira alternada nos semiciclos. FIGURA 15 FORMAS DE ONDA PARA A FIGURA13 (L >> R) FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.3 Retificação controlada A diferença, entre os retificadores não controlados e os retificadores controlados, é que os primeiros fornecem apenas uma tensão de saída fixa ao contrário dos retificadores controlados. Para se obter tensões de saída controladas, é utilizado o controle de fase com tiristores em vez de diodos. A tensão de saída dos retificadores

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 33 tiristorizados é controlada variando-se o ângulo de disparo ou de retardo dos tiristores. Um tiristor em controle de fase é disparado através da aplicação de um pulso de curta duração ao seu gatilho e desligado devido à comutação natural da rede, ou da linha; e no caso de uma carga altamente indutiva, ele é desligado pelo disparo de outro tiristor do retificador, durante o semiciclo negativo da tensão de entrada. Os retificadores controlados, ou conversores, são classificados em dois tipos: semicontrolado e completamente controlado. O completamente controlado, ou tipo doisquadrantes, usa um SCR como dispositivo de retificação. A corrente DC é unidirecional, mas a tensão DC pode ter qualquer uma das duas polaridades. Com uma delas, o fluxo de potência vai da fonte AC para a carga DC, em um processo chamado retificação. Com a inversão da tensão DC pela carga, o fluxo de potência vai da fonte DC para a alimentação AC, em um método chamado inversão. Caso metade dos SCRs for substituída por diodos, o circuito passará a ser classificado como semicontrolado ou semiconversor. Esse circuito permite também que o valor médio da tensão de saída DC seja variado pelo controle de fase do SCR. Entretanto, a polaridade da tensão de saída DC e a direção da corrente não podem mudar, isto é, o fluxo de potência ocorre da fonte AC para a carga DC. Os conversores desse tipo são também denominados conversores de um-quadrante. Os retificadores controlados fornecem potência DC para várias aplicações, como controle de velocidade para motores DC, transmissão DC em alta tensão e carregadores de baterias ( que é o caso do retificador estudado pela equipe). 2.3.1 Retificador monofásico controlado de meia-onda 2.3.1.1 Com carga resistiva pura A estrutura de um circuito retificador controlado de meia-onda com carga resistiva pura pode ser observado na figura 16a. Durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação, o SCR estará diretamente polarizado e conduzirá se o pulso de acionamento for aplicado à porta. Se o SCR passar para o estado ligado em t 0, uma corrente fluirá na carga e a tensão de saída v 0 será igual à tensão de entrada. No tempo t = π, a corrente cai naturalmente a zero, uma vez que o SCR estará inversamente polarizado. Durante o semiciclo negativo, o dispositivo bloqueará o fluxo de corrente e não haverá tensão na carga. O SCR ficará fora até que o sinal seja aplicado novamente na porta em (t 0 + 2π). O período que vai de 0 a t 0, na figura 16b, representa o tempo no

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 34 semiciclo positivo quando o SCR está desligado. Esse ângulo (medido em graus) é chamado ângulo de disparo ou ângulo de retardo (α). O SCR conduz de t 0 a π; esse ângulo é denominado ângulo de condução (θ). (a) circuito (b) formas de onda de tensão e de corrente FIGURA 16 RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 35 Podemos perceber que a amplitude da tensão de saída é controlada pelo ângulo de disparo. O aumento de α disparando o SCR posteriormente no ciclo diminuirá a tensão e vice-versa. A máxima tensão de saída, ocorre quando α = 0º, o circuito atuará como um diodo retificador. 2.3.1.2 Com carga indutiva (RL) Um retificador de meia-onda com uma carga RL é mostrado na figura 17a. Se o SCR for acionado com um ângulo de disparo igual a α, a corrente na carga aumentará aos poucos, uma vez que a indutância forçará a corrente a se atrasar em relação à tensão. A tensão na carga (v 0 ) será positiva e o indutor estará armazenando energia em seu compo magnético. Quando a tensão aplicada se tornar negativa, o SCR ficará inversamente polarizado. É neste momento, que a energia armazenada no campo magnético do indutor retornará e manterá uma corrente direta através da carga. A corrente continuará a fluir até β (denominado ângulo de avanço), quando então o SCR passará para o estado desligado. A tensão no indutor mudará de polaridade e a tensão na carga ficará negativa. Em conseqüência disso, a tens]ao média na saída vai se tornar menor do que seria se a carga fosse uma resistência pura. As formas de onda para tensão e corrente de saída são representadas na figura 17b; elas contêm uma significativa quantidade de ondulação. (a) circuito

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 36 (b) formas de onda de tensão e de conrrente. FIGURA 17 RETIFICADOR DE MEIA ONDA COM CARGA RL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.3.1.3 Com diodo de retorno (FWD) No intuito de cortar a porção negativa da tensão de saída, instantânea e amenizar a ondulação da corrente de saída, usa-se um diodo de retorno, como pode-se observar na figura 18a. Quando a tensão na carga tender à inversão, o FWD ficará diretamente polarizado e passará para o estado ligado. O SCR então ficará inversamente polarizado e passará para o estado desligado. Desta maneira, a corrente que flui da fonte para a carga, pelo SCR, fica agora entre a carga e o diodo de retorno. Observe que

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 37 a corrente continua a fluir na carga após o SCR ter passado para o estado desligado. Isso se deve à energia armazenada no indutor. A tensão de saída é a mesma no circuito com carga resistiva. (a) circuito (b) formas de onda FIGURA 18 CARGA RL COM FWD FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 38 2.3.2 Retificador monofásico controlado de onda completa com terminal central 2.3.2.1 Com carga resistiva pura O arranjo básico de um retificador monofásico controlado com terminal central e carga resistiva é encontrado na figura 19. O controle de fase, tanto da parte positiva como da negativa da alimentação AC, agora é possível, o que aumenta a tensão DC e reduz a ondulação quando comparado com os retificadores de meia-onda. Durante o ciclo semiciclo positivo da tensão de entrada, o SCR 1 fica diretamente polarizado. Se for aplicado um sinal na porta em α, o SCR 1 passará para o estado ligado. A tensão de saída (v 0 ) seguirá a tensão de entrada. A corrente na carga tem a mesma forma de onda da tensão na carga. Em π, quando a corrente se tornar nula, o SCR 1 passará, de maneira natural, para o estado desligado. Durante o semiciclo negativo, o SCR 2 ficará diretamente polarizado. O SCR 2 será disparado somente em (π + α). A tensão de entrada será seguida mais uma vez pela tensão de saída. Em 2π a corrente que passa pelo SCR 2 cai a zero, neste momento o dispositivo passará para o estado desligado. O SCR 1 será acionado novamente em (2π + α) e o SCR 2 em (3π + α). É desta maneira que o ciclo se repetirá. As formas de onda resultantes de tensão e corrente são apresentadas na figura 20. FIGURA 19 CIRCUITO RETIFICADOR, ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 39 FIGURA 20 FORMAS ONDA, RETIFICADOR ONDA COMPLETA, TERMINAL CENTRAL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.3.2.2 Com carga indutiva (RL) As formas de onda para tensão e corrente quando a carga indutiva presente no circuito é altíssima, de tal maneira que a corrente na carga seja sempre contínua é apresentada na figura 21. O período de condução de SCR 1 é de 180º, de α a (π +α) e sua tensão na carga segue a tensão de entrada. No instante (π +α), o SCR 1 é desligado (uma vez que a tensão de alimentação aparece de imediato e aplica uma polarização inversa) e o

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 40 SCR 2 é disparado. O período de condução do SCR 2 é de 180º, iniciando em (π +α) e terminando em (2π +α). Durante este período o SCR 2 fornece potência à carga. A tensão de saída estará em seu máximo positivo quando α = 0º, será zero quando α = 90º e estará em seu máximo negativo em α = 180º FIGURA 21 FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.3.2.3 Com diodo de retorno (FWD) O acréscimo de um diodo de retorno ligado em paralelo com a carga indutiva (circuito apresentado na figura 22) irá alterar as formas de onda de corrente e tensão da figura 21. No circuito citado a tensão na carga tende a ser negativa, desta maneira, o FWD fica diretamente polarizado e entra em condução. Assim sendo, a tensão na carga fica estacionada em zero volt. A corrente quase constante (quase plana) na carga é mantida pela corrente de retorno que passa pelo diodo.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 41 (a) circuito (b) formas de onda de tensão e de corrente FIGURA 22 RETIFICADOR TERMINAL CENTRAL, CARGA RESISTIVA RL E FWD FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 42 2.3.3 Retificador monofásico controlado de onda completa em ponte 2.3.3.1 Com carga resistiva pura Um retificador monofásico controlado de onda completa em ponte com carga resistiva é exposto na figura 23. No circuito em questão, os pares de SCRs opostos na diagonal passam juntos para o estado ligado ou para o desligado. O funcionamento deste circuito é similar à do circuito de onda completa com terminal central (item 2.3.2). Neste circuito a tensão média de saída DC controlada vai de zero a um valor máximo positivo, dependendo da variação do ângulo de disparo. Os pares de SCRs são controlados e disparam, com um ângulo de retardo igual a α. Agora as formas de onda da corrente e da tensão se tornam uma onda completa, como mostra a figura 24. FIGURA 23 CIRCUITO RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 43 FIGURA 24 FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, CARGA RESISTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.3.3.2 Com carga indutiva (RL) Neste circuito (figura 25) a corrente na carga tende a manter-se fluindo, já que o indutor induz uma tensão que se opõe à variação da corrente. Desta maneira os SCRs continuam conduzindo, embora a tensão possa ter caído a zero. A corrente mantém o fluxo de corrente pelo SCR mesmo após a tensão ter sido invertida.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 44 FIGURA 25 RETIFICADOR EM PONTE COM CARGA RL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. FIGURA 26 FORMAS DE ONDA, RETIFICADOR EM PONTE, BAIXA CARGA INDUTIVA FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 45 Se a indutância presente no circuito for pequena ou o ângulo de retardo α for mantido alto, a corrente de saída DC atingirá o valor zero a cada semiciclo em (π + β), como mostra a figura 26. Neste período, nenhum dos SCRs fica ligado, então diz-se que a corrente é não-contínua. Caso a indutância da carga seja elevada, ou se o ângulo de retardo α se tornar muito pequeno, a corrente na carga não atingirá o valor zero e sim fluirá de modo continuo (figura 27). Desta maneira, conclui-se que um dos pares de SCRs estará sempre em condução, e então a corrente é dita contínua. FIGURA 27 FORMAS DE ONDA DE UM RETIFICADOR EM PONTE COM L>>>R FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 46 No semiciclo positivo, SCR 1 e SCR 4 estão diretamente polarizados. Agora, uma vez que v s é negativa, SCR 2 e SCR 3 estão diretamente polarizados e ao receberem um sinal na porta, irão para o estado ligado. No entanto, a corrente de carga ainda flui no mesmo trajeto, SCR 1 e SCR 4, até que SCR 2 e SCR 3 sejam acionados. Observe na figura 28, no momento em que α se torna maior do que 90º, o valor médio da tensão de saída é negativo. Conseqüentemente, no intervalo de 90º a 180º, a potência corre do lado da carga DC para o lado da fonte AC e neste momento o circuito opera como um inversor. No momento em que se obtém retificação e inversão a partir de um conversor, o processo chama-se operação em dois-quadrantes e o conversor é denominado conversor completo. FIGURA 28 CARACTERÍSTICA DE CONTROLE, RETIFICADOR EM PONTE FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. 2.3.3.3 Com diodo de retorno (FWD) Caso um diodo seja adicionado ao circuito em paralelo com a carga, o modelo poderá operar apenas como retificador, pois o diodo não permitirá o aparecimento de valores negativos de v 0 na carga. Podemos observar na figura 29, o acréscimo do diodo de retorno (D) no circuito do retificador em ponte. A inclusão do diodo de retorno possibilita um novo caminho para o fluxo de corrente na carga. Neste momento existem três caminhos possíveis: SCR 1 e SCR 4, SCR 2 e SCR 3 e o novo caminho, através do diodo D.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 47 FIGURA 29 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE COM FWD FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. No momento em que os valores de v 0 se tornarem negativos, o diodo D estará diretamente polarizado e a tensão fornecida à carga será zero. Desta maneira, as porções negativas de v 0 na figura 27 serão substituídas por v 0 = 0, como podemos ver na figura 30. FIGURA 30 FORMAS DE ONDA DE TENSÃO E DE CORRENTE PARA A FIGURA 29 FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 48 Durante esse intervalo, a corrente na carga se dá através de D e as correntes no SCR e a corrente da fonte são nulas. Então podemos deduzir que SCR 1 e SCR 4 em série, estão inversamente polarizados e passam para o estado desligado. Sabemos que SCR 2 e SCR 3 já estão desligados, pois v s é negativa. È desta forma que a corrente na carga, é transferida para o diodo de retorno. 2.3.4 Retificadores semicontrolados em ponte Os conversores que podem operar com tensões médias DC na caga tanto positiva como negativa são chamados de conversores completos ou de dois-quadrantes. No modo inversão, remove potência DC da carga e a devolve à fonte AC. Já no modo retificação, eles fornecem potência a partir da fonte AC para a carga DC. Existem diversas aplicações que demandam fluxo de potência somente da fonte AC para a carga DC (é o caso do retificador utilizado como modelo para o trabalho de diplomação de curso), desta maneira são operadas apenas no modo retificação. Este resultado é obtido em retificadores em ponte quando se substitui metade dos SCRs por diodos. Esses circuitos são denominados como retificadores em ponte de um-quandrante ou semicontrolados. Há um método alternativo para se obter a operação um-quadrante em retificadores em ponte, que consiste em adicionar um diodo de retorno nos terminais de saída do retificador. FIGURA 31 CIRCUITO SEMICONTROLADO, ONDA COMPLETA EM PONTE FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência. O modelo do circuito semicontrolado básico em ponte é mostrado na figura 31. Sua operação é idêntica à do retificador com quatro SCRs (retificador completamente

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 49 controlado em ponte com carga resistiva). No semiciclo positivo da fonte, SCR 1 e D 4 estarão diretamente polarizados. Caso acionemos SCR 1 em α, a corrente fluirá por D 4, pela carga e por SCR 1. O SCR 1 irá para o estado desligado em π quando a fonte passar do semiciclo positivo para o semiciclo negativo. A tensão na carga é a mesma da tensão de entrada, nesse período (α a π). No instante (π + α), SCR 2 é acionado, fazendo com que a corrente flua por D 3 e da carga. No momento 2π, SCR 2 passa para o estado desligado, é neste instante que o ciclo se repete. FIGURA 32 FORMAS ONDA, RETIFICADOR PONTE,SEMICONTROLADO, CARGA RL FONTE: AHMED, Ashfaq; Eletrônica de Potência.

RETIFICADOR SEMICONTROLADO: CARREGADOR DE BATERIA COM MULTICONTROLE 50 Se houver uma carga indutiva no circuito, uma comutação (transferência de corrente) ocorre a cada todo semiciclo para fazer com que a corrente na carga passe através do diodo, como mostra a figura 32. A corrente passa por SCR 1 e D 3 no intervalo π a (π + α) e por SCR 2 e D 4 durante 2π a (2π + α). Conseqüentemente, a porção negativa da tensão de saída fica desligada e a forma de onda da tensão de saída se torna a mesma, como se a carga fosse resistiva pura. A tensão média de saída pode, portanto, ser variada e ir de seu valor máximo positivo a zero, isto é, a medida em que o ângulo de disparo muda de 0º a 180º. Caso o circuito da figura 31 possuir uma carga indutiva bastante alta, a corrente na carga irá fluir durante todo o semiciclo negativo (mesmo após o sinal da porta ter sido removido) e desta maneira o circuito perderá o controle. Se um diodo de retorno for utilizado (figura 33), o diodo de roda livre se torna diretamente polarizado e começa a conduzir à medida que a tensão na carga tender à reversão. A corrente fluirá pelo FWD. (a) formas de onda