GRA0687 Atividade 1 A1

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Faculdade: Anhembi Morumbi
Curso: Engenharia Elétrica
Matéria: Eletrônica de Potência
Atividade 1
Aluno: Rodrigo Molgado
Um diodo é um componente produzido com materiais semicondutores, dessa forma, o mesmo pode agir como um condutor ou um isolante de acordo com o sentido da corrente que percorre o seu corpo. O diodo é um componente extremamente útil e age comumente como um retificador de circuito. Em uma fonte de corrente alternada, há a oscilação entre as polaridades, o diodo por sua vez realiza a retificação bloqueando a passagem em um dos sentidos.
Figura 1: Diodo apresentando a passagem no semiciclo positivo
Transistores e tiristores são ambos dispositivos semicondutores que possuem inúmeras aplicações em circuitos elétricos. A principal diferença entre transistor e tiristor é que um transistor tem três camadas de semicondutores enquanto um tiristor tem quatro camadas de semicondutores. Às vezes, os tiristores são referidos como retificadores controlados por silício (SCRs).
Transistores são dispositivos semicondutores que podem atuar como amplificadores ou chaves em circuitos elétricos. Um transistor consiste em três semicondutores dopados. Principais tipos de transistores incluem Transistores de junção bipolar (BJTs) e transistores de efeito de campo (FETs) e transistores bipolares com porta isolada (IGBTs). Controlando a tensão aplicada a um dos terminais, é possível controlar a corrente através dos outros dois terminais desses dispositivos.
Figura 2: Símbolo esquemático de um TJB, npn
Figura 3: Símbolo esquemático de um TJB, pnp
O transistor de efeito de campo ( FET ) é um tipo de transistor que usa um campo elétrico para controlar o fluxo de corrente em um semicondutor. FETs são dispositivos com três terminais: fonte , porta e dreno . Os FETs controlam o fluxo de corrente pela aplicação de uma tensão na porta, que por sua vez altera a condutividade entre o dreno e a fonte.
Os FETs também são conhecidos como transistores unipolares, pois envolvem operação do tipo portadora única. Ou seja, os FETs usam elétrons ou lacunas como portadores de carga em sua operação, mas não ambos. Existem muitos tipos diferentes de transistores de efeito de campo. Os transistores de efeito de campo geralmente exibem impedância de entrada muito alta em baixas frequências. 
Figura 4: Estrutura Física de um transistor de efeito de campo JFET
O transistor de efeito de campo mais amplamente usado é o MOSFET (transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico). A tecnologia de processo CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) é a base para os circuitos integrados digitais modernos . Essa tecnologia de processo usa um arranjo em que o (geralmente "modo de aprimoramento") MOSFET de canal p e MOSFET de canal n são conectados em série de forma que quando um está ligado, o outro está desligado. O FET (MOSFET) de semicondutor de óxido de metal é um dispositivo de quatro terminais. Os terminais são os fonte (S), portão (G) e dreno (D). o substrato ou corpo forma o quarto terminal. O MOSFET é construído com o terminal de porta isolado do canal com um dielétrico de dióxido de silício. MOSFETs podem ser depleção ou modo de aprimoramento.
Figura 5: MOSFET de Canal N e Canal P
Um transistor bipolar de porta isolada ( IGBT ) é um dispositivo semicondutor de potência de três terminais usado principalmente como uma chave eletrônica, que, conforme foi desenvolvido, veio combinar alta eficiência e comutação rápida. Consiste em quatro camadas alternadas (P – N – P – N) que são controladas por uma estrutura de porta semicondutor de óxido de metal (MOS) .
Embora a estrutura do IGBT seja topologicamente a mesma de um tiristor com uma porta "MOS" ( tiristor porta MOS ), a ação do tiristor é completamente suprimida e apenas a ação do transistor é permitida em toda a faixa de operação do dispositivo. É usado na comutação de fontes de alimentação em aplicações de alta potência: drives de frequência variável (VFDs), carros elétricos , trens, geladeiras de velocidade variável, reatores de lâmpadas, máquinas de solda a arco e condicionadores de ar.
Uma vez que é projetado para ligar e desligar rapidamente, o IGBT pode sintetizar formas de onda complexas com modulação de largura de pulso e filtros passa-baixa , portanto, também é usado na comutação de amplificadores em sistemas de som e sistemas de controle industrial . Em aplicações de comutação, os dispositivos modernos apresentam taxas de repetição de pulso bem dentro das frequências da faixa ultrassônica, que são pelo menos dez vezes mais altas do que as frequências de áudio controladas pelo dispositivo quando usado como um amplificador de áudio analógico.
Figura 6: Símbolo e circuito equivalente do IGBT canal N e P
A modulação por largura de pulso ( PWM ), ou modulação por duração de pulso ( PDM ), é um método de reduzir a potência média fornecida por um sinal elétrico, dividindo-o efetivamente em partes discretas. O valor médio de tensão (e corrente ) alimentado à carga é controlado ligando e desligando rapidamente a chave entre alimentação e carga. Quanto mais tempo a chave ficar ligada em comparação com os períodos desligados, maior será a potência total fornecida à carga. Junto com o rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT), é um dos principais métodos de reduzir a produção de painéis solares para aquela que pode ser utilizada por uma bateria. O PWM é particularmente adequado para operar cargas inerciais, como motores, que não são tão facilmente afetados por essa comutação discreta, porque sua inércia faz com que reajam lentamente. A frequência de chaveamento PWM deve ser alta o suficiente para não afetar a carga, o que significa que a forma de onda resultante percebida pela carga deve ser o mais suave possível.
Um exemplo seria o controle da temperatura de um ferro de passar que oscila. Ela aumenta quando o termostato está ligado e diminui quando desligado. Num ferro de passar comum este ciclo costuma durar algo em torno de um minuto.  Numa temperatura mais baixa, ele fica mais tempo desligado que ligado, por exemplo 15s ligado para 45s desligado. Numa temperatura média o circuito fica 30s ligado e outros 30s desligado. Quando o botão de ajuste é colocado em uma temperatura mais alta, o termostato fica mais tempo ligado que desligado, digamos 45s e 15s respectivamente. Assim a temperatura média do ferro de passar roupas é uma função da razão do tempo que o circuito fica ligado com relação ao tempo total do ciclo. Estas três situações são ilustradas na figura 7. 
Figura 7: Na primeira situação o ferro fica ligado 25% do tempo, na segunda 50% e na terceira, 75%.
O sinal PWM nada mais é que uma onda retangular de frequência constante na qual o tempo ligado e desligado variam de forma a estabelecer o ciclo de trabalho desejado. Existem várias formas de se criar este tipo de sinal. Como exemplo teremos um oscilador com base no integrado 555, conforme ilustrado na figura 8. A frequência é de aproximadamente 40kHz e é determinada pelo trimpot de 10k, o resistor de 100Ω e o capacitor de 1nF, e o ciclo de trabalho é ajustado com o trimpot de 10k. 
Figura 8: Exemplo de um circuito com circuito integrado 555 gerador de sinal PWM
Referências:
https://www.dsif.fee.unicamp.br/~elnatan/ee640/aula%20mosfet.pdf
https://pt.strephonsays.com/difference-between-transistor-and-thyristor
https://stringfixer.com/pt/Channel_(semiconductor)
https://www.tina.com/pt/resources/home/field-effect-transistor-amplifiers-2/2-metal-oxide-semiconductor-fet-mosfet/
https://stringfixer.com/pt/Insulated_gate_bipolar_transistor
https://stringfixer.com/pt/Pulse-width_modulation
https://www.altanatubes.com.br/webstore/?c=284&t=Modulacao-por-largura-de-pulso-PWM-Pulse-width-modulation