Introdução à Eletrônica de Potência

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AULA 1: INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
 
Nesta aula, você vai estudar como os elementos básicos da eletrônica de potência 
podem ser caracterizados, além de suas aplicações. Desde o século XVIII, com a 
utilização do primeiro motor elétrico e o exponencial crescimento da utilização da 
energia elétrica, o mundo busca cada vez mais eficiência em seus processos. 
Equipamentos eletroeletrônicos existentes em indústrias, comércios e residências 
utilizam circuitos eletrônicos que devem ser alimentados com energia elétrica em 
corrente contínua. Como a forma de distribuição de energia pelas empresas de 
distribuição é, predominantemente, em corrente alternada, diversos processos de 
conversão devem ocorrer entre ligar um equipamento e utilizá-lo. A conversão de 
energia elétrica em corrente alternada (CA) para corrente contínua (CC) (assim como 
as demais conversões que podem ser feitas, como CA-CA, CC-CC e CC-CA) pode 
ser feita de diversas formas, que serão mais ou menos eficientes dependendo dos 
aspectos a serem considerados, como dissipação de energia, custo dos componentes 
e tempo do projeto, de acordo com o nível de potência exigido pela carga final. Assim, 
compreendendo o princípio de funcionamento dos elementos da eletrônica de 
potência, é possível projetar e utilizar circuitos eletrônicos que façam essa conversão 
da energia elétrica de forma eficiente e sustentável, sem prejuízo da aplicação. 
 
CARACTERÍSTICAS DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
A energia elétrica já vem sendo usada pela humanidade há mais de 200 anos, suas 
origens remontando a relatos da eletricidade no Egito antigo e de alguns experimentos 
na Grécia antiga. No século XXI há uma grande dependência da população na energia 
elétrica. O crescimento da internet fez com que nela ficassem concentradas diversas 
áreas da necessidade humana, do entretenimento à disseminação de conhecimento. 
No entanto, para que isso seja possível, as pessoas mais e mais são dependentes de 
dispositivos eletrônicos. Os dispositivos eletrônicos sofrem constante evolução para 
que, em um pequeno dispositivo, que caiba na palma da mão, seja possível acessar 
toda a informação disponível na internet, além de se comunicar com pessoas ao redor 
de todo o mundo. Esses dispositivos contêm milhares de transistores exercendo todo 
o tipo de função para esse fim. 
 
 
 E, para fornecer energia a esses transistores, baterias cada vez mais eficientes são 
desenvolvidas, permitindo que mais e mais energia seja armazenada em um espaço 
cada vez mais limitado. A energia armazenada em uma bateria, na forma de corrente 
contínua, é limitada e deve ser reposta em um processo que carrega a bateria. No 
entanto, como as distribuidoras de energia elétrica operam em corrente alternada, 
deve haver um processo entre a tomada das casas e o equipamento eletrônico, para 
transformar essa energia de corrente alternada em corrente contínua (MOHAN, 2014). 
 
Um dos processos mais básicos da eletrônica de potência é a conversão CA-CC, que 
consiste em transformar a energia que tem uma forma senoidal em um sinal contínuo, 
utilizando um dispositivo conhecido como fonte de tensão, mostrado na Figura 1, 
composto por uma ponte de diodos, um capacitor de filtragem e uma carga genérica. 
Enquanto esse circuito exerce sua função, com as crescentes demandas de energia 
para dispositivos, mais e mais corrente elétrica deve ser fornecida aos equipamentos, 
provocando uma série de efeitos em cascata: maior dissipação de potência; maior 
tamanho de componentes; maior espaço físico; soluções para resfriamento; etc. O 
exemplo da Figura 1 é apenas um dentre vários que, com a modernização da vida do 
ser humano, tornam-se parte do nosso cotidiano. 
 
Figura 1: Exemplo de conversor CA-CC. 
 
Fonte: autor (2021) 
 
Esse problema, no entanto, não está restrito a nós, individualmente. Com a crescente 
demanda por energia, as empresas de geração de energia elétrica devem buscar 
novas soluções com impacto ambiental cada vez menor. 
 As soluções tradicionais (usinas hidrelétricas, termelétricas e nucleares), mesmo 
sendo responsáveis por gerar muita energia, acabam por trazer danos irreversíveis 
 
ao ambiente. No século XXI, a utilização da energia fotovoltaica e eólica permite que 
novos horizontes sejam vislumbrados, utilizando fontes de energia com baixo impacto 
ambiental, que trazem consigo novas necessidades de conversão e armazenamento 
(MOHAN, 2014). De forma a atenuar os problemas causados por essa crescente 
demanda por energia, soluções mais eficientes são oferecidas pelos circuitos e 
componentes da eletrônica de potência, que vem crescendo desde meados do século 
XX, oferecendo soluções eficientes em conversão de energia. 
 
COMPONENTES DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
Os componentes utilizados nos circuitos de eletrônica de potência se baseiam no 
conceito de chaveamento. Supondo que uma fonte de alimentação deve alimentar 
uma carga de tensão nominal menor, existem diversas estratégias a serem 
empregadas, desde a substituição da fonte até a utilização de um divisor de tensão 
resistivo. No entanto essas soluções podem não ser aceitáveis, tanto de um ponto de 
vista econômico (comprar uma nova fonte com o valor exatamente igual) quanto do 
ponto de vista da eficiência energética (pois um resistor adicional será utilizado 
apenas para abaixar essa tensão, fazendo com que a fonte tenha que fornecer mais 
energia ao circuito, que será apenas dissipada pelo divisor resistivo, sem ser utilizada) 
(HART, 2012). Se entre a fonte de tensão e a carga for colocada uma chave que abrirá 
e fechará por intervalos definidos de tempo, é possível dizer que a tensão média na 
carga terá o valor esperado, como ilustrado na Figura 2. 
 
Figura 2. Tensão média obtida por chaveamento. 
 
Fonte: autor (2021) 
 
 
Analisando os exemplos anteriores, podemos notar uma diferença na potência fornecida 
pela fonte ao circuito. Enquanto no circuito com divisor resistivo a fonte deve fornecer 5 W 
para alimentar a carga de forma satisfatória, utilizando a chave, abrindo e fechando-a em 
intervalos determinados, a fonte apenas fornece a energia necessária para alimentar a 
carga, ou seja, 2,5W. Isso significa que a fonte deverá ser projetada para a potência 
necessária para alimentar a carga. Considerando essa chave a ideal, temos que analisar as 
duas situações, dela fechada e aberta: 
 Chave fechada: A tensão é zero (por ser ideal) e a corrente é aquela fornecida à 
carga. O produto dos dois será zero. 
 Chave aberta: A tensão sobre a chave será a tensão da fonte (10 V), mas não há 
circulação de corrente; logo, o produto dos dois será zero. 
carga, sem desperdício. 
 
É claro que, em situações reais, haverá sim alguma potência sendo dissipada pela 
chave. O importante é perceber que essa potência será muito menor do que aquela 
entregue à carga, tornando a utilização de energia mais eficiente. Essas chaves são, 
na verdade, componentes semicondutores, que tem essa característica de conduzir 
ou não sob determinadas condições do circuito. Os componentes que descreveremos 
podem ser classificados, quanto ao seu controle de condução, em três tipos principais 
(RASHID, 1999): 
 Não controlados: são aqueles componentes que dependem de características 
intrínsecas para permitir ou não a condução de corrente; 
 Semicontrolados: são componentes que permitem o controle de sua condução, 
mas dependem de características intrínsecas para deixarem de conduzir; 
 Totalmente controlados: são os componentes que permitem tanto o 
controle para a condução quanto para deixarem de conduzir. 
 
As características intrínsecas são condições de queda de tensão sob o componente 
ou intensidade de corrente circulando pelos terminais do componente. 
Diodo 
 
 
 
 
 
O DIODO 
O diodo é o componente fundamental da eletrônica de potência, sendo composto por 
material semicondutor do tipo p e do tipo n.A utilização desses dois materiais 
diferentes faz com que esse componente não possa ser controlado externamente, 
mas apenas sob certas condições existentes no circuito. Quando o diodo conduz 
corrente, dizemos que está polarizado diretamente, o que ocorre quando o anodo 
(representado por A) está em um potencial elétrico maior que o catodo (representado 
por K), como podemos ver na Figura 3(a). Já no caso de o diodo ser ligado de forma 
que o catodo fique em um potencial elétrico maior que o anodo, como mostra a Figura 
3(b), ele estará polarizado reversamente, não permitindo a condução de corrente. 
Podemos observar na Figura 4(a) que o símbolo do diodo indica o sentido no qual ele 
permite conduzir (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013). 
 
Figura 3. Polarização do diodo. 
 
Fonte: autor (2021) 
 
Em um diodo real, entretanto, mais uma condição deve ser satisfeita para que haja a 
condução, mesmo que ele esteja polarizado diretamente. Essa condição consiste em 
manter uma queda de tensão acima de um determinado valor de limiar que, para um 
diodo de silício é de 0,7 V. 
 
TIRISTOR 
Também conhecido como SCR (Retificador Controlado de Silício, do inglês Silicon 
Controlled Rectifier), esse componente já oferece uma estrutura semicondutora mais 
complexa do que a do diodo, tendo um terminal extra, chamado de gatilho (ou porta 
em algumas literaturas; do inglês gate), como pode ser visto na Figura 4b. 
 
 
O gatilho tem a função de permitir que o tiristor se comporte praticamente como um 
diodo, caso seja injetada uma certa intensidade de corrente através dele. Na presença 
de uma corrente de gatilho, o tiristor, conduzirá quando a queda de tensão sobre ele 
for maior que a tensão de disparo direta (análoga à tensão de limiar do diodo). Quanto 
maior for a corrente no gatilho, menor será a tensão de disparo direta, obedecendo os 
limites do componente. Uma condição para o tiristor continuar conduzindo é que ele 
deve ter uma corrente passando em seus terminais que tenha uma intensidade maior 
do que um valor de sustentação (holding current), que é uma informação vital em 
seu manual (HART, 2012). Caso não seja injetada uma corrente no gatilho, o tiristor 
apenas conduzirá quando estas duas condições forem cumpridas: 
 
 A queda de tensão sobre ele for maior que a tensão de disparo direta 
máxima; 
 A corrente passada de seu anodo para seu catodo for maior que a corrente 
de sustentação. 
 
O tiristor é considerado um componente semicontrolável devido à existência de uma 
forma de controlar sua condução, mas não é possível controlar o momento em que 
ele deixa de conduzir, dependendo da intensidade da corrente que ele conduz ficar 
abaixo do seu valor de sustentação. 
 
GTO 
O GTO (do inglês Gate Turn-off Thyristor) tem as mesmas características do tiristor, 
com a adição da possibilidade de controlar também o momento em que este efetua o 
bloqueio da condução, tornando-o um componente totalmente controlável. Esse 
controle é feito de acordo com o sentido da corrente em seu gate, como pode ser visto 
em seu símbolo na Figura 4(c) (HART, 2012). 
 
 
 
 
 
 
DIAC 
O DIAC (do inglês, Diode for Alternating Current), apesar do nome, tem características 
mais semelhantes a um tiristor do que a um diodo. Isso se dá porque a queda de 
tensão necessária para permitir a condução deve alcançar um valor denominado 
tensão direta de ruptura (breakover voltage). Após ultrapassar esse valor, o DIAC 
conduzirá até que a corrente por seus terminais seja menor que a corrente de 
sustentação, analogamente a um tiristor sem corrente no gatilho (HART, 2012). Isso 
significa que seu controle de condução é feito internamente, sendo classificado como 
não controlável. Como as maiores aplicações do DIAC são em corrente alternada, isso 
significa que ele foi desenvolvido de forma a conduzir tanto para uma tensão positiva 
quanto para uma negativa. Assim, no seu símbolo, mostrado na Figura 4(d), podemos 
verificar que seus terminais não têm denominação específica, podendo ser chamados 
de T1 e T2, por exemplo. 
 
TRIAC 
Da mesma forma que o DIAC oferece similaridades a um tiristor sem corrente no 
gatilho, o TRIAC (do inglês, Triode for Alternating Current) já oferece controle na 
condução a partir da injeção de corrente em seu terminal de gatilho, fazendo com que 
sua tensão direta de ruptura diminua até que a corrente circule por seus terminais. 
Assim como o tiristor, o TRIAC é classificado como semicontrolável (HART, 2012). O 
símbolo do TRIAC pode ser visto na Figura 4(e). 
 
TRANSISTOR BIPOLAR 
Para que o transistor bipolar seja utilizado como uma chave, este deve atuar apenas 
nas regiões de corte (funcionando como uma chave aberta) e saturação (funcionando 
como uma chave fechada). Para que isso ocorra, uma característica desse tipo de 
componente é ter um ganho em corrente baixo, na ordem de uma dezena. Arranjos 
Darlington (um tipo de arranjo em cascata) permitem um aumento nesse ganho. Esse 
controle de corrente na base faz com que o transistor bipolar tenha condução 
totalmente controlável. A Figura 4(d) mostra os símbolos para os transístores NPN e 
PNP (HOROWITZ; HILL, 2017). 
 
 
 
 
TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO 
Também conhecido pelo seu nome em inglês, FET (Field-effect Transistor), esse 
componente é similar ao transistor bipolar, mas chaveado pela aplicação de uma 
tensão entre o seu gatilho (gate, G) e sua fonte (source, S). A aplicação de uma tensão 
maior do que sua tensão de limiar entre os terminais de gatilho e a fonte faz com que 
o transistor de efeito de campo entre na região de saturação, permitindo a condução 
de corrente entre fonte e dreno. Quando a tensão entre gatilho e fonte for menor que 
a tensão de limiar, o transistor de efeito de campo entra na região de corte, não 
permitindo a passagem de corrente. Assim como o transistor bipolar, o transistor de 
efeito de campo também apresenta condução totalmente controlável (HART, 2012; 
MOHAN, 2014). Os símbolos para um transistor de efeito de campo do tipo canal P e 
do tipo canal N podem ser vistos na Figura 4(g). 
 
IGBT 
O IGBT (do inglês, Insulated-gate Bipolar Transistor) pode ser entendido como uma 
combinação entre um transistor bipolar e um transistor de efeito de campo, chaveando 
por tensão aplicada entre o gatilho e o emissor e permitindo uma baixa queda de 
tensão entre emissor e coletor. Como o IGBT apresenta características tanto do 
transistor bipolar quanto do transistor de efeito de campo, ele também apresenta 
condução totalmente controlável (HART, 2012; MOHAN, 2014). Seu símbolo é 
mostrado na Figura 4(h). 
Figura 4. Símbolos dos componentes da eletrônica de potência. 
 
Autor (2019) 
 
 
APLICAÇÕES DA ELETRÔNICA DE POTÊNCIA 
Utilizando os componentes da eletrônica de potência, diversos equipamentos podem 
ser desenvolvidos para uma eficiente conversão de energia, tanto no âmbito industrial 
quanto no âmbito residencial. 
 
FONTES CHAVEADAS 
Os equipamentos eletrônicos estão presentes em todos os aspectos de nossas vidas, 
seja no celular, no computador, na televisão, etc. Os circuitos eletrônicos, por 
precisarem de energia em corrente contínua para seu funcionamento, devem utilizar 
algum equipamento intermediário para converter a energia em corrente alternada 
disponível nas tomadas para que o dispositivo funcione. Esse equipamento é 
conhecido como fonte de tensão. Com o aumento na necessida às perdas e altas 
correntes, além do tamanho e peso que aumentam juntamente com a capacidade de 
fornecimento de corrente de uma fonte. Utilizando uma metodologia diferente, as 
fontes chaveadas começaram a ser disseminadas na década de 1980 e hoje 
predominam como forma de alimentação de circuitos eletrônicos (HART, 2012; 
MOHAN, 2014). 
As diferenças físicas entre as fontes lineares e chaveadas são devidas à utilização de 
transformadores com núcleo de ferrite, que, em oposição aos núcleosde ferro 
laminado, conseguem transmitir a mesma quantidade de fluxo em um volume muito 
menor de material, desde que esse fluxo esteja em uma frequência alta (na ordem 
das centenas de quilohertz). Isso provoca uma redução considerável de massa de 
uma fonte. Outra grande vantagem é sua eficiência na faixa de 85%, contra 60% das 
fontes lineares. 
 
 INVERSORES DE FREQUÊNCIA 
Inicialmente desenvolvidos para o controle de velocidade de motores de indução, que 
têm sua velocidade proporcional à frequência da tensão alternada que os alimentam. 
Assim, o inversor, a partir de uma fonte CC, gera tensão CA na frequência desejada 
para uma determinada velocidade do motor (HART, 2012; MOHAN, 2014). 
 
 
 
 
 
Uma das formas de gerar uma tensão CA consiste no uso de um circuito de ponte H, 
que é composto por quatro elementos de chaveamento totalmente controláveis. A 
Figura 6(a) mostra um diagrama de blocos desse tipo de inversor de frequência. O 
controlador aciona as chaves alternadamente, gerando um sinal quadrado. Esse sinal 
pode ser aproximado de uma senoide utilizando várias pontes H em paralelo. Outra 
forma, também utilizando uma ponte H, utiliza dois sinais de referência um para a 
frequência da tensão de saída CA e outro para a frequência do chaveamento. Quanto 
maior a frequência do chaveamento, mais fiel será a tensão de saída. Na Figura 6(b) 
é possível ver o diagrama de blocos desse sistema. 
 
Figura 6. Diagrama de blocos de um inversor de frequência. 
 
Autor (2017) 
 
O sinal de chaveamento será uma onda quadrada onde a referência de chaveamento 
vai determinar quanto tempo, em cada ciclo, o valor de tensão será máximo. Assim, 
para cada ciclo haverá um valor médio diferente, permitindo a composição de uma 
tensão senoidal. 
 
 
 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 
11. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2013. 
HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. Porto Alegre: 
AMGH, 2012. 
HOROWITZ, P.; HILL, W. A arte da eletrônica: circuitos eletrônicos e 
microeletrônica. 3.ed. Porto Alegre: Bookman, 2017. 
MOHAN, N. Eletrônica de potência: curso introdutório. Rio de Janeiro: LTC, 2014. 
RASHID, M. H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e aplicações. São 
Paulo: Makron Books, 1999. 
 
Leituras recomendadas 
AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2000. 
ERICKSON, R. W.; MAKSIMOVIC, D. Fundamentals of power electronics. 2. ed. 
New York: Kluwer Academic Publishers, 2004. 
RASHID, M. H. Power electronics handbook. 3. ed. Oxford: Elsevier, 2011. 
SKVARENINA, T. L. The power electronics handbook. Florida: CRC Press, 2002. 
TRZYNADLOWSKI, A. M. Introduction to modern power electronics. 3. ed. New 
Jersey: