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Trabalho Eletrônica de potencia

Aluno: Marcio de Souza Gonçalves Curso: Técnico em Automação e Controle Industrial Professor: Henrique 2/5/09

[MSG1] Comentário: Centro Universo de Educação e Desenvolvimento

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1 - INTRODUÇÃO

Este estudo foi elaborado para que compreenda melhor os fenômenos elétricos e suas aplicações na vida prática. Quando ligamos à televisão, o rádio ou o computador estará utilizando a eletricidade. Seria muito difícil imaginar o mundo de hoje sem esse fenômeno. Aqui estão contidas informações sobre diodo, tiristor, diac, triac, retificadores de meia onda e de onda completa. Para uma boa compreensão e desenvolvimento, deveremos estar familiarizados com esses assuntos.

2 - DIODO

A união de um cristal tipo p e um cristal tipo n, obtém-se uma junção pn, que é um dispositivo de estado sólido simples: o diodo semicondutor de junção.

Devido à repulsão mútua os elétrons livres do lado n espalham-se em todas as direções, alguns atravessam a junção e se combinam com as lacunas. Quando isto ocorre, a lacuna desaparece e o átomo associado torna-se carregado negativamente. (um íon negativo)

Cada vez que um elétron atravessa a junção ele cria um par de íons. Os íons estão fixo na estrutura do cristal por causa da ligação covalente. À medida que o número de íons aumenta a região próxima à junção fica sem elétrons livres e lacunas. Chamamos esta região de camada de depleção. Além de certo ponto, a camada de depleção age como uma barreira impedindo a continuação da difusão dos elétrons livres. A intensidade da camada de depleção aumenta com cada elétron que atravessa a junção até que se atinja um equilíbrio. A diferença de potencial através da camada de depleção é chamada de barreira de potencial. A 25º esta barreira é de 0,7V para o silício e 0,3V para o germânio.

2.1 - POLARIZAÇÃO DO DIODO

Polarizar um diodo significa aplicar uma diferença de potencial às suas extremidades. Supondo uma bateria sobre os terminais do diodo, há uma polarização direta se o pólo positivo da bateria for colocado em contato com o material tipo p e o pólo negativo em contato com o material tipo n.

2.2 - POLARIZAÇÃO DIRETA No material tipo n os elétrons são repelidos pelo terminal da bateria e empurrados para a junção. No material tipo p as lacunas também são repelidas pelo terminal e tendem a penetrar na junção, e isto diminui a camada de depleção. Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades. A tensão para a qual a corrente começa a aumentar rapidamente é chamada de tensão de joelho. ( No Si é aprox. 0,7V).

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2.3 - POLARIZAÇÃO REVERSA

Invertendo-se as conexões entre a bateria e a junção pn, isto é, ligando o pólo positivo no material tipo n e o pólo negativo no material tipo p, a junção fica polarizada inversamente. No material tipo n os elétrons são atraídos para o terminal positivo, afastando-se da junção. Fato análogo ocorre com as lacunas do material do tipo p. Podemos dizer que a bateria aumenta a camada de depleção, tornando praticamente impossível o deslocamento de elétrons de uma camada para outra. O diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura apartir da qual a corrente aumenta sensivelmente.

3 - CURVA CARACTERÍSTICA DE UM DIODO

A curva característica de um diodo é um gráfico que relaciona cada valor da tensão aplicada com a respectiva corrente elétrica que atravessa o diodo.

3.1 - POLARIZAÇÃO DIRETA

Nota-se pela curva que o diodo ao contrário de, por exemplo, um resistor, não é um componente linear. Ao se aplicar a polarização direta, o diodo não conduz intensamente até que se ultrapasse a barreira potencial. A medida que a bateria se aproxima do potencial da barreira, os elétrons livres e as lacunas começam a atravessar a junção em grandes quantidades.

3.2 - POLARIZAÇÃO REVERSA DO DIODO o diodo polarizado reversamente, passa uma corrente elétrica extremamente pequena, (chamada de corrente de fuga). Se for aumentando a tensão reversa aplicada sobre o diodo, chega um momento em que atinge a tensão de ruptura a partir da qual a corrente aumenta sensivelmente.

3.3 - TENSÃO DE CONDUÇÃO DO DIODO Na verdade, o ponto de condução exato do diodo (a tensão na qual ele começa a conduzir) varia de diodo para diodo. Um diodo pode começar a conduzir a partir de 0,6V ou 0,65V, ou em algum outro valor em torno de 0,7V. A folha de dados do 1N4001 informa também que se ele estiver polarizado diretamente e estiver sendo percorrido por uma corrente de 1,0A, a tensão em seus terminais pode ter qualquer valor entre 0,93V e 1,1V se a temperatura ambiente for de 25ºC.

3.4 - RESISTÊNCIA INTERNA DO DIODO(RI)

Na maioria dos casos, considera-se o diodo em condução como uma chave fechada, mas o diodo não se comporta exatamente como um curto, ele possui uma pequena resistência interna. Esta resistência interna pode ser calculada dividindo a tensão no diodo pela corrente que passa por ele. Como normalmente esta resistência interna é muito baixa, ela quase sempre é desprezada. Podemos calcular a resistência interna do diodo, como mostrado a seguir. RI = 0,7 ÷ 2,3mA = 304,34Ω

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4 - RETIFICADORES DE MEIA ONDA E ONDA COMPLETA

4.1 – RETIFICADOR DE MEIA ONDA O retificador de meia onda converte a tensão de entrada (USECUNDÁRIO) CA numa tensão pulsante positiva UR. A saída do secundário tem dois ciclos de tensão: Um semiciclo positivo e um negativo. Durante o semiciclo positivo o diodo está ligado no sentido direto e age como uma chave fechada e pela lei das malhas toda a tensão do secundário incide no resistor R. Durante o semiciclo negativo o diodo está polarizado reversamente e não há corrente circulando no circuito. Sem corrente elétrica circulando implica em não ter tensão sob o resistor e toda a tensão do secundário fica no diodo. Este circuito é conhecido como retificador de meio ciclo porque só o semiciclo positivo é aproveitado na retificação.

4.2 - RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA

Observando a tomada central no enrolamento secundário (Figura 1-23). Por causa dessa tomada, o circuito é equivalente a dois retificadores de meia onda. O retificador superior retifica o semiciclo positivo da tensão do secundário, enquanto o retificador inferior retifica o semiciclo negativo da tensão do secundário. As duas tensões denominadas de U2/2 são idênticas em amplitude e fase. Como mostra a Figura 1-23 à direita, sem alteração no funcionamento elétrico da rede. Quando U2/2 é positiva, D1 está diretamente polarizado e conduz, mas D2 está reversamente polarizado e cortado.

4.3 - RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA EM PONTE

Com o uso de quatro diodos no lugar de dois, elimina-se o uso da tomada central do transformador (Figura 1-25). Durante o semiciclo positivo da tensão U2, o diodo D3 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o D2 um potencial negativo no catodo. Dessa forma, D2 e D3 conduzem D1 e D4 ficam reversamente polarizado e o resistor de carga R recebe todo o semiciclo positivo da tensão U2. Durante o semiciclo negativo da tensão U2, o diodo D4 recebe um potencial positivo em seu anodo, e o diodo D1 um potencial negativo no catodo, devido à inversão da polaridade de U2. Os diodos D1 e D4 conduzem e os diodos D2 e D3 ficam reversamente polarizado. UR é sempre positiva. Na Figura 1-26 é mostrado as formas de ondas sobre o resistor de carga e os diodos, considerando os diodos ideais.

5 - TIRISTORES O tiristor é um dispositivo de quatro camadas e membro da família dos semicondutores que tem dois estados estáveis de operação: um estado apresenta corrente aproximadamente igual a zero, e o outro tem uma corrente elevada; limitada apenas pela resistência do circuito externo. O tiristor pode ser considerado uma chave unidirecional que substitui, com vantagens, por exemplo, contatores e relés de grande capacidade. Tornou-se vantajoso no controle de grandes potências, devido a diversos fatores: é um dispositivo leve, pequeno, confiável, de ação rápida; pode ser ligado com correntes muito reduzidas e não apresenta problemas de desgaste mecânico porque não possui partes móveis.

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5.1 - FUNCIONAMENTO

No circuito, a base do transistor NPN é alimentada pelo coletor do PNP, e viceversa. Não há inicialmente corrente de coletor alimentando o outro transistor, e ambos estão no corte.

Mas se aplicarmos um pulso positivo na base do NPN, ou negativo na do PNP, o transistor será ativado, fornecendo uma corrente amplificada na base do outro, que amplificará esta corrente fornecendo uma corrente ainda maior à base do transistor que recebeu o pulso. O processo leva rapidamente os transistores à saturação, fornecendo corrente somente limitada pela carga, o resistor.

Uma vez disparada, a trava só se desliga quando a corrente for limitada a um valor a um valor mínimo, corrente de manutenção, que não permite manter os transistores na saturação. Isto pode ser conseguido desligando o circuito, ou curtocircuitando os emissores.

A trava também pode ser disparada por avalanche, aplicando-se uma sobretensão entre os emissores, que inicia a ruptura em um dos transistores, alimentando a base do outro, o que leva à saturação como no caso do pulso, anterior.

5..2 –– DISPAROS DOS TIRISTOR

Os tiristores podem ser disparados de diversos modos: através de pulso, por ângulo de fase em CA e por C.

O disparo por C é usado em chaveamento de cargas por longos períodos, como lâmpadas, calefatores, eletroimãs e motores, em sistemas de controle tipo ligadesliga e por ciclos. Nestes casos manter a alimentação de gatilho, apesar do consumo de energia desnecessário e o aquecimento da junção, simplifica o circuito de comando.

O disparo por ângulo de fase é típico de controle de luminosidade de lâmpadas em CA (dimmer), e de velocidade de motores universais ou de C. Nestes, a cada ciclo da tensão CA de alimentação, é gerada uma tensão defasada por uma ou duas redes de atraso RC, e quando a tensão atingir a tensão necessária ao disparo do SCR ou TRIAC (mais a do DIAC, se estiver em série), num dado ângulo de fase, o tiristor é disparado. O processo se repete a cada ciclo (ou sericícola, em onda completa), e variando o valor do(s) resistor(es), varria-se a porção do ciclo em que é alimentada a carga (ângulo de condução do tiristor), variando a tensão média e eficaz, e a potência na carga.

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O disparo por pulsos é o mais sofisticado e preciso, e o mais empregado. Usa um gerador de pulsos, freqüentemente com transistor unijunção, UJT, que é outro tiristor, constituído de uma barra de material N, com uma porção lateral tipo P próxima do centro. A região P é o emissor, E, e os extremos da barra as bases 1 e 2, B1 e B2.

estrutura do UJTsímbolo

5.3 - S.C.R. (Silicon Controled Rectifier)

Ele é um diodo controlado por pulso, aplicado no gatilho ( gate ). Sua estrutura PNPN é igual à da trava ideal, sendo o pulso positivo aplicado no terminal que corresponde à base do transistor NPN, o gatilho. O emissor do PNP é o anodo e o do NPN, o catodo do diodo.

a) Funcionamento Aplicando-se uma tensão E [(+) no anodo (A) e (-) no catodo (K)] veremos que o transistor PNP e o NPN não conduzem porque não circula a corrente i2 e a corrente i1. Aplicando agora um pulso positivo no gate (G) em relação ao catodo, vamos fazer circular a corrente i1 que fará o transistor NPN entrar em condução. Com isso i2 também irá circular fazendo com que o transistor PNP conduza. O pulso no gate não é mais necessário, pois o transistor PNP mantém o NPN conduzindo e vice-versa. Como podemos observar, esse estado de condução permanecerá indefinidamente. A única maneira de desligar o SCR é fazer a tensão E (entre anodo e catodo) igual à zero. SCR pode ser disparado também pela tensão VAK (VAK = E, enquanto o SCR não está conduzindo). Esta tensão ê chamada tensão de bloqueio, que ê a tensão máxima que o SCR admite entre anodo e catodo, sem romper a barreira de potencial da junção NP (no centro), e entrar em condução, quanto maior a corrente Ig, menor será a tensão de bloqueio e consequentemente, o SCR irá entrar em condução com um tempo menor.

I - VRM - Tensão de pico repetitiva p/ estado desligado. É a tensão de pico máxima que pode ser aplicada entre o anodo e o catodo para o SCR desligado. Se for aplicada tensão maior do que esta, pode ocorrer ruptura das junções. (breakdowm).

I - TURN-ON - Tempo de atraso (delay - time) - é o tempo que SCR demora para reagir ao (gatilho) recebido do gate. - Tempo de subida (rise-time) - é o tempo que o SRC gasta para sair do 0,9 (VDM-VT), até atingir 0,1 (VDM-VT). I - Corrente de manutenção ( IH ) É o valor mínimo de corrente capaz de manter o SCR no estado de condução. Para SCRs de 35 A(RMS),por exemplo, a corrente IH estã na faixa de 14 a 90 [mA] (ex: 2N6173)

IV - Corrente de inicio de condução (Latching Currente)

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Existem casos em que cargas indutivas no circuito, farão com que a corrente, pelo SCR, cresça mais lentamente. Na subida, se aplicarmos pulsos no gate, ocorrerão pulsos de condução como mostrado na figura 5. Isso ocorre porque é necessário que a corrente de condução possa alcançar um valor de 1,5 a 3 vezes IH para conseguir manter o SCR em condução, quando for gatilhado; caso contrário vai conduzir e depois cortar enquanto a corrente de condução não for maior do que IL.

V - Corrente média de condução: - IT (AV) - É o valor médio máximo de corrente para um ângulo de condução de 180º. Quando for usado um ângulo de condução menor que 90º (1/2 onda), e o menor que 180º (onda completa) deve-se determinar novo valor de IT (AV).

VI - Corrente de pico de curto-circuito (surge on-state current) Valor máximo de corrente permitida que possa passar pelo SCR num período de 1 ciclo. E iguala aproximadamente 15 x IT(AV).

VII - Queda de tensão estática direta (on state voltage) É a queda de tensão entre anodo e catoto quando SCR está em condução. Normalmente na ordem de 1,5V.

VIII - Tempo de Desligamento (turn-off time) Após a tensão de alimentação atingir 0 volts, é necessário esperar um certo tempo para aplicar novamente alimentação sem que o SCR entre em condução. Isso ocorre porque, mesmo quando a alimentação atingir 0 volts, internamente o SCR não atingiu 0 volts, e, portanto, se for aplicado a alimentação logo depois ele irá conduzir.

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