ELET DE POTENCIA FATEF 2aBIM_26_10_2021

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FATEF
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Prof.: Edson da Silva Souza
1) DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA, RESISTÊNCIA TÉRMICA E DISSIPADORES DE CALOR.
2) CARACTERÍSTICAS DE GATILHO E CIRCUITOS DE DISPARO
3) APLICAÇÕES DOS TIRISTORES: RETIFICADORES MONOFÁSICOS E TRIFÁSICOS SEM 
E COM CONTROLE
4) INVERSORES E CONVERSORES
5) PROTEÇÃO DOS SCR´S.
ÍNDICE – 2ª.Bimestre
Componentes de dissipação:
Existem 5 componentes principais de dissipação de potência em um tiristor, que ocorrem
nas seguintes situações:
✓ Estado de bloqueio no sentido direto;
✓ Chaveamento dos estado de bloqueio do estado de condução;
✓ Estado de condução;
✓ Chaveamento do estado de condução ao estado de bloqueio;
✓ Disparo
1) DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA, RESISTÊNCIA TÉRMICA E DISSIPADORES DE 
CALOR
A) DISSIPAÇÃO DE POTÊNCIA
Para melhor ilustrar estes componentes de dissipação tomaremos como exemplo um
tiristor que possua as seguintes características:
IT(RMS) – Especificação de corrente 110 A
VRRM, VDRM - Especificação de tensão de bloqueio 400 V
IRRM, IDRM - Corrente de fuga 10 mA
VT - Queda de tensão 1,8 V
tON - Tempo de disparo 5 µs
Tq - Tempo de comutação 80 µs
Suponhamos que este dispositivo está usando ao máximo suas especificações, ou seja,
110 A a 400 V, isto é, controlando uma carga de cerca de 40 KW.
Bloqueio no
Sentido 
direto
Estado de
condução
Passagem do
estado de
condução
Passagem 
do 
estado de
bloqueio
Bloqueio no
Sentido 
reverso
Tensão
Corrente
Dissipação 
De potência
400V
110 A
- 110 A
1,8 V10 mA
- 10 mA
- 400V
80 µs
4 W198 W
5 µs
4 W
11 KW
11 KW
Componentes de dissipação
Como é evidente do gráfico anterior. Assumimos por simplicidade que os valores de
dissipação no bloqueio e na condução.
Durante à transição de um estado para o outro, a dissipação muda rapidamente. Durante
a passagem ao estado de condução, as equações de tensão e corrente podem ser
aproximadas por:
v(t) = 400 – 400 x 106 t eq.1
5 
i(t) = 110 x 106 t eq. 2
5 
A potência instantânea, é o produto instantâneo de tensão e corrente e depende portanto 
das curvas dinâmicas seguidas pela tensão e pela corrente. Por simplicidade, estamos 
admitindo que a transição é linear e assim, a potência instantânea seria dada por:
P(t) = v(t) x i(t)
P(t) = (400 - 400 x 106 t ) x (110 x 106 t) 
5 
Derivando a equação 3 e igualando o resultado a zero, obteremos o instante em que 
ocorre o pico de potência, resultando em t = 2,5 µs. A substituição deste valor em 3 
resultara em um pico de potência de 11 KW.
A energia convertida em calor durante o chaveamento do estado de bloqueio no sentido 
direto para o estado de condução, é a área sob a curva de potência, sendo calculada 
pela integral de 3 resultando em 37 mJ.
P(t) = 8,8 x 109 t – 1,76 x 1015 t2 eq.3
Assumindo a mesma transição linear durante o intervalo de comutação, teremos o 
mesmo pico de 11 kW, embora a energia aumente para 587 mJ, em função do maior do 
intervalo de comutação.
Suponhamos que se desejasse calcular a potência média dissipada no dispositivo. 
Vamos supor que o mesmo opere em 60 Hz com um ciclo de trabalho de 50%, em um 
ângulo de condução de 180º , ou ainda, tempos de condução e bloqueio iguais.
APLICAÇÕES DOS TIRISTORES: RETIFICADORES MONOFÁSICOS E TRIFÁSICOS 
SEM E COM CONTROLE
SCR como retificador de meia onda
A figura abaixo apresenta um circuito que utiliza um SCR como retificador de meia onda.
Características do TIC 116B
IGT = 20 mA
VAK = 6 Vdc
Segundo a sua folha de dados, o SCR TIC 116B precisa de 20 mA de corrente de gatilho 
para garantir o disparo, quando VAK for de 6 VCC. Além disso, para o disparo, a tensão 
entre anodo e catodo (VGK) deve ser igual a VGT (aproximadamente igual a 0,6 V). Desta 
forma, logo no início do semiciclo positivo, a tensão da rede de alimentação atinge um 
valor suficientemente alto para garantir as condições de disparo de SCR, que conduzirá 
e acenderá a lâmpada.
Desconsiderando a queda de tensão no diodo e entre gatilho e cátodo, após a condução 
do SCR (VGT),a tensão da rede em que o disparo ocorre pode ser calculada da seguinte 
maneira:
IGT ≈ VREDE ➔ 20 X 10-3 = VREDE
R1 180
VREDE = 3,6 V
Como as condições de disparo fixam dois valores (VAK = 6 V e IGT = 20 mA), com 
certeza, entre 3,6 V e 6 V, a corrente necessária será atingida para garantir o disparo do 
SCR.
Com quantos graus, a tensão da rede atinge 6 V?
V(t) = Vp * sen ω * t ou v(α) = Vp * sen α
6 = 179,6 * sen α
sen α = 6 
179,6
arcsen = 6 = α
179,6
α = 1,9o
Portanto, praticamente todo semiciclo positivo é aplicado à lâmpada, como pode ser 
observado pelas formas de onde da figura abaixo:
VREDE (V)
179,6
- 179,6
V1 (V)
179,6
- 179,6
6
Ɵ
Ɵ
180o 360o
180o 360o
Condução 
do SCR
Condução 
do SCR
Bloqueio 
do SCR
Bloqueio 
do SCR
Disparo 
do SCR
SCR controlando fase numa carga resistiva
O controle de fase numa carga resistiva utilizando um SCR será abordado na forma de
exemplo no item a seguir:
Dados:
IGT = 200 μA 
VGT = 0,6 V
Responda
a) Calcule os valores do resistor fixo R1 e da resistência variável (potenciômetro) R2, para 
disparo do SCR em 2°, 15°, 30°, 60° e 90°, em relação à tensão da rede. 
Disparo em 2° Disparo em 15° Disparo em 30°
𝑽𝑹𝑬𝑫𝜺 − (𝑹𝒙 ∗ 𝑰𝑮𝑻) − 𝑽𝑮𝑻 = 𝟎 𝑽𝑹𝑬𝑫𝜺 − (𝑹𝒙 ∗ 𝑰𝑮𝑻) − 𝑽𝑮𝑻 = 𝟎 𝑽𝑹𝑬𝑫𝜺 − (𝑹𝒙 ∗ 𝑰𝑮𝑻) − 𝑽𝑮𝑻 = 𝟎
Disparo em 60° Disparo em 90°
𝑽𝑹𝑬𝑫𝜺 − (𝑹𝒙 ∗ 𝑰𝑮𝑻) − 𝑽𝑮𝑻 = 𝟎 𝑽𝑹𝑬𝑫𝜺 − (𝑹𝒙 ∗ 𝑰𝑮𝑻) − 𝑽𝑮𝑻 = 𝟎
Ângulo de disparo (α)
2o 20 8.340,64
15o 20 209.426,13
30o 20 426.012,8
60o 20 754.712,99
90o 20 875.025,61
Ângulos de disparo e componentes relacionados
b) Calcule o valor médio e eficaz da tensão na carga para os valores de “α”, bem como a 
potência dissipada.
O valor médio da tensão na carga para uma senóide, retificada em meia onda, com ângulo 
de disparo “α”, é dado pela Equação: 
O valor eficaz da tensão na carga para uma senóide, retificada em meia onda, com ângulo 
de disparo α, é dado pela Equação: 
A potência dissipada pela carga é dada pela Equação:
Abaixo valores da tensão média, da tensão eficaz e da potência dissipada pela carga para 
cada ângulo de disparo.
Ângulo de disparo (α)
2o 89,8 80,64
15o 89,6 80,28
30o 88,5 78,32
60o 80,5 64,80
90o 63,5 40,32
EXERCÍCIO PROPOSTO
1) O circuito da figura abaixo é alimentado por uma fonte CA de 127 Vrms. Calcule os 
valores do resistor RX para disparo do SCR em 2°, 15°, 30°, 60° e 90° (ângulo de disparo 
em relação à tensão da rede) e desenhe as formas de onda da tensão na carga RL de 100 
ohms e no SCR. Calcule o valor médio e eficaz da tensão na carga para os valores de α. 
Calcule também a potência dissipada. Para o cálculo do valor dos resistores no circuito de 
gatilho, considerar a queda de tensão do diodo D1 igual a 0,7 V.
Dados:
IGT(tip) = 200 μA 
VGT(tip) = 0,6 V 
ITmax = 8 A 
VRRM = 200 V
RK
SCR
RS
CS
D1
RL
RESOLUÇÃO:
Retificador trifásico controlado de meia - onda
a) Carga resistiva
O circuito deste retificador, conhecido também como retificador trifásico controlado de ponto
médio, está representado no figura abaixo:
O funcionamento do retificador controlado é similar ao retificador não controlado a diferença
está na entrada em condução dos semicondutores de potência. Isto faz com que se torne
possível variar o valor da tensão de saída.
Seja a figura a seguir, na qual estão representadas as formas de onda das 3 fases e a tensão
na carga para ângulo de disparo igual a 30º. Observe que para o retificador trifásico, o ângulo
de disparo é xero no instante em que duas ondas de tensão se interceptam e não quando a
tensão passa por zero, como é o caso dos retificadores monofásicos. Percebe-se que o SCR
T1, por exemplo, somente pode conduzir após 30º da fase “A”. Isso se deveao fato de que
antes de 30º desta fase, T1 está reversamente polarizado, logo impossibilitado de conduzir.
Portanto os disparos dos tiristores devem ser sincronizados com a rede e atrasados de 30º
para possibilitar qualquer variação da tensão de saída.
Na figura 1b – estão apresentados a forma de onda para o ângulo de disparo de 60º.
1a
1b
Formas de onda para o retificador de ponto médio 
(1a) α = 30º e (1b) α = 60º 
Tensão média na carga em função de α para carga 
resistiva
A tensão média pode ser representada graficamente 
pela curva a seguir
Deve-se notar que:
1) Se αd = 0
o, obtém-se resultado semelhante ao retificador a diodo, onde VLmedio = 1,17 
VSRMS ,que é maior valor de tensão média na carga;
2) Se αd = 150
o, tem-se VLmedio = 0.
1b) Carga RL
O retificador de ponto médio alimentando carga RL pode apresentar condução contínua ou 
descontínua, dependendo da carga e do ângulo de disparo.
A figura abaixo mostra a tensão na carga em condução contínua. Como a corrente na carga 
não se anula, a tensão assume valores negativos até que ocorra o próximo disparo.
Para evitar que a tensão na carga assuma valores instantaneamente negativos, utiliza-se um 
diodo de roda-livre em antiparalelo com a carga, permitindo a circulação de corrente 
mantendo a tensão na carga nula.
Tensão na carga para carga RL em condução contínua.
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CONVERSORES 
Há muitas aplicações que requerem alimentação contínua variável. É o caso, por exemplo de
veículos de tração, acionados por motores CC. Quando de dispõe de uma fonte CA pode-se
utilizar um circuito retificador controlado. Entretanto, a alimentação disponível for CC, devem
ser usados os chamados “choppers”, que são conversores CC –CC.
Os “choppers” fornecem uma tensão CC variável a partir de uma fonte CC de tensão
constante. O circuito básico de um conversor CC – CC é mostrado Fig.1:
V
CH
i i
DR
R
L
CARGA
Fig.1 - Circuito básico de um “chopper”
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CONVERSORES 
A tensão contínua variável, aplicada à carga, é obtida controlando-se a abertura e o
fechamento da chave CH. Quando a chave fecha, o diodo DR permanece cortado, uma vez
que o mesmo fica reversamente polarizado pela tensão V da fonte. A partir do instante em que
a chave fecha, a corrente começa a aumentar de modo exponencial, passando a existir uma
energia armazenada no campo magnético de indutância L. A tendência seria a de a corrente
de carga se estabilizar em um valor dado por V/R.
No instante em que a chave abre, como a corrente não pode cair instantaneamente a zero na
indutância, o diodo de retorno entra em condução mantendo tensão nula na saída. Então, a
corrente de carga decairá exponencialmente através de R, L e DR, até o novo fechamento da
chave.
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A tensão na carga terá então o aspecto genérico Fig.2:
V
V.
Vo
tON tOFF
T
Fig.2 - Forma de onda da tensão na carga para o circuito anterior
Por integração da forma de onda da gráfico acima pode-se obter o valor médio na carga que 
será dado por:
Vo = tON V
T
Fica evidente da expressão anterior que o valor médio Vo da tensão de saída, pode ser
variado de três maneiras:
1. Variando tON, o tempo de permanência da chave fechada, e mantendo T, o período total
invariante. Este método é chamado modulação por largura de pulso.
2. Mantendo-se tON ou tOFF, o tempo de permanência da chave aberta, constante e
variando o período T. Este processo é chamado de modulação em frequência.
3. Variando tanto tON como T
Das três possibilidades de controle, a mais utilizada é a modulação por largura de pulso,
pois no caso de modulação em frequência, esta tem que ser variada por uma faixa muito
grande para obter o controle total da tensão da carga. A este problema, acrescenta-se o
fato de que, para baixos valores Vo, a corrente de carga se torna descontínua, o que é um
grande inconveniente se a carga acionada for um motor CC. Ademais, quando a frequência
não é fixa, é difícil o projeto de filtros para eliminar as interferências resultante do
chaveamento.
Em circuitos de potência elevada, a chave CH do circuito da Fig. 1, é implementada por um
SCR. Em potências mais baixas, pode-se usar também transistores bipolares ou de efeito de
campo.
Quando a chave no circuito da Fig.1, for implementada através de um SCR, deve ser previsto,
além do circuito de disparo, um circuito de comutação que bloquei o SCR. Isto acontece pois
no caso de corrente contínua, uma vez disparado, o SCR não bloqueia mais, já que a corrente
não se anula.
O circuito de comutação deve garantir que a corrente do SCR se anule e que a tensão de
anodo permaneça negativa, pelo menos durante o tempo tOFF, o necessário para o tiristor
recuperar sua capacidade de bloqueio.
A corrente do SCR pode se anular se a mesma passar por zero em função de uma
característica da carga (um circuito RLC serie, por exemplo), se a corrente do SCR for
desviada por um caminho alternativo, ou ainda se for aplicada uma tensão reversa aos
terminais do dispositivo. Estes dois últimos métodos são conhecidos por “métodos de
comutação forçada”.
Existem vários circuitos de comutação forçada, sendo suas características bastantes
semelhantes. Não analisaremos aqui todos os métodos utilizados para comutação forçada,
mas sim um circuito típico que serve para ilustrar o modo de bloqueio do SCR. Veja abaixo:
Fig. 3 - Circuito típico de comutação forçada
V
Vc
iQ1 io
DR
R
L
Q1
iQ2 Q2
ic
iDR
VL
V .
D
iD
Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em primeiro lugar para
carregar o capacitor C. Disparado Q2, a corrente circulará pela fonte, pelo capacitor, que será
carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga.
Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação, podendo ser
disparado o tiristor principal que é 1. Isto faz com que seja aplicada uma tensão V à carga, o
que corresponderia no circuito da Fig. 1, à condição de chave fechada.
Com Q1 disparado, o capacitor C é colocado em paralelo com L e com D, resultando no
circuito simplificado mostrado a seguir:
V
Q1
i
DL
Fig.4 - Circuito simplificado da Fig. 3, para Q1 em condução
Como um circuito LC tem característica oscilatória, a corrente i que circulará pelo circuito da
fig. 4 será senoidal, começando de zero, atingindo um máximo e depois voltando a zero.
Quando a corrente se anular, o capacitor terá invertido a tensão nos seus terminas, ficando
portanto com Vc < 0. A partir deste instante, a tendência do circuito LC seria a de fazer a
corrente i circular no sentido inverso e fazer com que a polaridade da tensão no capacitor
voltasse a ser positiva. Isto entretanto não é possível em virtude doido D. Desta maneira, o
circuito permanecerá com Vc < 0 e com Q1 em condução até o momento em que se deseje
“abrir” chave, ou seja, comutar o tiristor principal.
No momento em que for desejada a comutação de Q1, dispara-se Q2. a tensão Vc < 0 do
capacitor será colocada em paralelo com Q1, bloqueando-o e a corrente de carga passará a
circular por Q2 de modo a fazer com que o capacitor novamente se carregue com Vc > 0.
Assim, o ciclo se repete sucessivamente, com Q1, sendo disparado para “fechar” a chave e
Q2 disparado para “abrir” a chave.
A maior parte das aplicações dos conversores CC-CC é no acionamento de motores CC em
veículos de tração elétrica como trem elétrico, carros de metrô, trolebus, etc. A fig. 5 mostra
este tipo de aplicação.
V
Q1
ie
D1
VA
L
EXCITAÇÃOVe
REATOR DE FILTRO
Fig.5 – Aplicação de um “chopper” no acionamento de um motor CC
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