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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ EEN502.1 FUNDAMENTOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA AULA 05 – TIRISTORES E RETIFICADOR MONOFÁSICO CONTROLADO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTORES Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 2 • É um dispositivo de três terminais em que se tem o controle do início da condução pela aplicação de um pulso de corrente no terminal da porta (gate ou gatilho). • Os tiristores convencionais conseguem passar de seu estado de condução para o de não condução somente quando sua corrente é levada a zero por outros meios. • Apresentam baixas perdas em condução e alta capacidade de potência (tensão e corrente), mas operam em frequências baixas. • São utilizados em aplicações de alta potência. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTORES Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 3 • Símbolo do tiristor e sua estrutura de camadas UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – BLOQUEIO REVERSO Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 4 VAK < 0 IT VAK UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – BLOQUEIO DIRETO Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 5 VAK > 0 IT VAK UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – CONDUÇÃO Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 6 VAK > 0 IG > 0 IT VAK UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – CONDUÇÃO Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 7 • Corrente de travamento (IL) (latching): é a mínima corrente de anodo necessária para manter o tiristor no estado de condução imediatamente após ele ter sido ligado e o sinal de gatilho ter sido removido. • Corrente de manutenção (IH) (holding): corrente mínima de anodo que mantém o tiristor ligado. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – PARÂMETROS Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 8 • VRRM – Valor máximo da Tensão de Pico Reversa Repetitiva • VDRM - Valor máximo da Tensão de Pico Direta Repetitivo • VRSM - Valor máximo da Tensão de Pico Direta Não- Repetitivo UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – PARÂMETROS Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 9 • IT(rms) – Valor máximo de Corrente eficaz Direta • IT(av) – Valor médio da Corrente Direta UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – PARÂMETROS Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 10 • di/dt – Máxima taxa de variação de corrente IA permissível • dv/dt – Máxima taxa de variação de tensão VAK permissível UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – DI/DT Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 11 • VGT – Tensão de Disparo do Gatilho • IGT – Corrente de Disparo do Gatilho UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ TIRISTOR – DI/DT Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 12 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ PROTEÇÃO DO TIRISTOR Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 13 Circuito Snubber Proteção contra dv/dt Indutor Proteção contra di/dt UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 14 Vs VR VAK Vmáx [V] IR Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK VO IO IG UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 15 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 2𝜋 1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 Vs VR VAK Vmáx [V] IR Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK VO IO IG UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 16 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 2𝜋 1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 Vs VR VAK Vmáx [V] IR Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK VO IO IG UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 17 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 2𝜋 1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 Vs VR VAK Vmáx [V] IR Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK VO IO IG UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ EXERCÍCIO PROPOSTO Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 18 Para o circuito abaixo considerando VS = 127 V, R = 100 Ω e α = 60°, calcule: a. Valor Médio da Tensão e da Corrente de Saída b. Desenhe as formas de onda de VO, IO, e VAK. c. Especifique o Tiristor VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 VAK Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] β RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA - RL Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 19 VO IO IG VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK L UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 VAK Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α β RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA - RL Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 20 VO IO IG VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK L UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 VAK Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α β RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA - RL Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 21 VO IO IG VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK L UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 VAK Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α β RETIFICADOR CONTROLADO DE MEIA ONDA - RL Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 22 VO IO IG VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK L UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 23 Ângulo de extinção β em função de α, tomando θ como parâmetro. 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 2𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑐𝑜𝑠𝛽) Valor médio da tensão de saída UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 24 Ângulo de condução γ em função de α, tomando θ como parâmetro. 𝛾 = 𝛽 − 𝛼 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ EXEMPLO Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 25 Para o circuito abaixo considerando VS = 127 V, R = 10 Ω, α = 60° e ângulo de carga Φ = 30° calcule: a. Valor Médio da Tensão e da Corrente de Saída b. Desenhe as formas de onda de VO, IO, e VAK. c. Especifique o tiristor VS R T1 VO IO IG Módulo de Disparo α VAK L UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 26 Ângulo de extinção β em função de α, tomando θ como parâmetro. 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 2𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑐𝑜𝑠𝛽) Valor médio da tensão de saída UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ 27 Ângulo de condução γ em função de α, tomando θ como parâmetro. 𝛾 = 𝛽 − 𝛼150 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 IS Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] Imáx [A] VAK T1 -Vmáx [V] RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 28 VO IG1 /IG4 R T1 T2 T3 T4 Vs + - IL IO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α IS Imáx [A] VAK_T1 RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 29 VO IG1 /IG4 R T1 T2 T3 T4 Vs + - IL IO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 30 • Valor médio da tensão de saída • Valor médio da corrente de saída • Valor médio da corrente em cada tiristor *Cada tiristor conduz somente em um semiciclo 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 𝜋 (1 + 𝑐𝑜𝑠𝛼) 𝐼𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑜𝐶𝐶 𝑅 𝐼𝑇𝐶𝐶 = 𝐼𝑜𝐶𝐶 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ EXEMPLO 2 Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 31 R T1 T2 T3 T4 Vs + - IL IO Para o circuito abaixo considerando VS = 127 V, R = 10 Ω e α = 60°, calcule: a. Valor Médio da Tensão e da Corrente de Saída b. Desenhe as formas de onda de VO, IO, IS, IT1 e VAK_T1. c. Especifique os tiristores UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 VAK_T1 Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α β γ Δ RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA – RL CONDUÇÃO DESCONTÍNUA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 32 IG1 /IG4 IO R L T1 T2 T3 T4 Vs + - UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 33 • Valor médio da tensão de saída • Valor médio da corrente de saída • Valor médio da corrente em cada tiristor *Cada tiristor conduz somente em um semiciclo 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑐𝑜𝑠𝛽) 𝐼𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑜𝐶𝐶 𝑅 𝐼𝑇𝐶𝐶 = 𝐼𝑜𝐶𝐶 2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ÂNGULOS IMPORTANTES Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 34 V0 I0 α β γ Δ Δ - ângulo em que a corrente se mantémnula 𝛼 - ângulo de disparo 𝛽 - ângulo de extinção (𝛽 = π + 𝜙) 𝛾 - ângulo de condução (𝛾 = 𝛽 − 𝛼) UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ R L (muito grande) T1 T2 T3 T4 Vs + - IL Vs V0 VAK_T1 Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α IT1 RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA – RL CONDUÇÃO CONTÍNUA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 35 IG IO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Vs V0 VAK_T1 Vmáx [V] I0 Imáx [A] VGate Vmáx [V] -Vmáx [V] α IT1 R L (muito grande) T1 T2 T3 T4 Vs + - IL RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA – RL CONDUÇÃO CONTÍNUA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 36 IG IO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ RETIFICADOR CONTROLADO DE ONDA COMPLETA – CONDUÇÃO CONTÍNUA Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 37 • Valor médio da tensão de saída • Como 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛼 − 𝑐𝑜𝑠𝛽) 𝛽 = 𝜋 + 𝛼 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 𝜋 (𝑐𝑜𝑠𝛼 − cos(𝜋 + 𝛼)) 𝑉𝑜𝐶𝐶 = 𝑉𝑚 𝜋 2(𝑐𝑜𝑠𝛼) UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ Para o circuito abaixo considerando VS = 127 V, R = 10 Ω e α = 45°, calcule: a. Valor Médio da Tensão e da Corrente de Saída b. Desenhe as formas de onda de VO, IO, VAK_T1 e IT1. c. Especifique os tiristores EXERCÍCIO PROPOSTO 2 Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 38 R L (muito grande) T1 T2 T3 T4 Vs + - ILIO UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ REFERÊNCIAS • Mohan, N., Undeland, T. M. e Robbins, W. P., “Power Electronics – Converters, Applications and Design”, Wiley, 2013. • Muhammad H. Rashid. “Eletrônica de Potência: Dispositivos, circuitos e aplicações”, 4ª Ed., 2015, Pearson. Prof. Robson Bauwelz Gonzatti 39
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