Eletrônica de potência AEDB

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Eletrônica industrial
Professor: Rafael Soares De Souza
E-mail: rafael.soares@aedb.br
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Aplicações da eletrônica de potência
A eletrônica de potência encontra aplicações em qualquer campo que requeira conversão e controle de potência elétrica.
Encontrados em uma grande quantidade de equipamentos industriais ou eletrodomésticos de motores pequenos com menos de 1 HP,
 Aplicados em a acionadores industriais com centenas de HP; de fontes de alimentação reguladas DC de baixa potência a sistemas de transmissão DC de alta tensão com mais de 1000 MW de potência; 
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)
Componentes da eletrônica de potência
Componentes da eletrônica de potência
Componentes da eletrônica de potência
 Ou seja, toda a potência sendo fornecida pela fonte está sendo entregue à
carga, sem desperdício!!
Componentes da eletrônica de potência
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
Componentes da eletrônica de potência
Os tiristores são dispositivos semicondutores de potência com quatro camadas PNPN, usados como chaves eletrônicas.
A principal vantagem que oferecem é converter e controlar grandes quantidades de potência em sistemas AC ou DC, utilizando apenas uma pequena potência para o controle
Família dos tiristores: 
 SCR - retificador controlado de silício (silicon controlled rectifier-SCR ), 
 GTO - tiristor de desligamento por porta (gate-tumo. fftbyristor- GTO),
 TRIAC
DIAC,
ETC..
 
Componentes da eletrônica de potência
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),
Já no caso de o diodo ser ligado de forma que o catodo fique em um potencial elétrico maior que o anodo, ele estará polarizado reversamente, não permitindo a condução de corrente.
O retificador controlado de silício (SCR )
O retificador controlado de silício (SCR) é o controlador elétrico de potência com uso mais difundido. Isso se deve á sua ação de chaveamento rápido, ao seu pequeno porte e aos seus altos valores nominais de corrente e de tensão.
A estrutura de um SCR e seu símbolo é mostrada na Figura abaixo, 
 
O SCR tem três terminais: o ânodo (A) e o cátodo (K) são os de potência enquanto a porta (G) (Gate ou Gatilho) é o de controle
O retificador controlado de silício (SCR )
São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle.
Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações a serem consideradas na prática.
São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-N), três junções (P-N).
Aplicação: 
Controles de relés e motores;
Fontes de tensão reguladas;
Choppers (variadores de tensão CC);
Inversores CC-CA;
Cicloconversores (variadores de frequência);
Carregadores de bateria;
Controles de iluminação;
O retificador controlado de silício (SCR )
Um SCR ideal se comportaria com uma chave ideal : 
enquanto não recebesse um sinal de corrente no gatilho, seria capaz de bloquear tensões de valor infinito, tanto com polarização direta como reversa
Bloqueado, o SCR ideal não conduziria qualquer valor de corrente
Quando disparado, ou seja, quando comandado por uma corrente de gatilho IGK, o SCR ideal se comportaria como um diodo ideal,
 Assim como para os diodos, tais características seriam ideais e não se obtêm na prática. Os SCR reais têm, portanto, limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam fuga de corrente quando bloqueados. Quando habilitados têm limitações de condução de corrente, pois apresentam uma pequena resistência à circulação de corrente e queda de tensão na barreira de potencial das junções que provocam perdas de energia por Efeito Joule e consequente aquecimento do componente. 
O retificador controlado de silício (SCR )
Curva característica do SCR:
O retificador controlado de silício (SCR )
Curva característica do SCR:
O retificador controlado de silício (SCR )
 Se a tensão direta ânodo-cátodo VAK for maior que o valor da tensão de ruptura direta máxima VDRM (VBO), fluirá uma corrente de fuga suficiente para levar o SCR ao estado de condução. 
A curva de Ig = O ,mostra que o SCR pode passar para o estado liga· do sem corrente de porta alguma. Esta, porém, não é uma característica desejável dos SCRs. Na prática, o SCR deve passar para o estado ligado apenas com a aplicação de um sinal na porta
Com uma baixa corrente de porta (Ig =1), o SCR passa para o estado ligado com uma tensão direta de ânodo mais baixa. Com uma corrente de porta mais alta (Ig=2), o SCR dispara com uma tensão direta de ânodo mais baixa ainda.
A característica reversa é semelhante à do díodo de junção PN comum
Corrente de disparo (IL) : Para entrar em condução o SCR deve conduzir uma corrente suficiente, cujo valor mínimo recebe o nome de Corrente de Retenção IL (Latching Current). O SCR não entrará em condução se a Corrente de Gatilho IGK for suprimida antes que a Corrente de Ânodo IA atinja o valor da Corrente de Retenção IL
Corrente de sustentação ou retenção (IH) : Uma vez retirada a corrente de gatilho, a mínima Corrente de Ânodo IA para manter o SCR em condução é chamada Corrente de Manutenção IH (Holding Current). Se a Corrente de Ânodo for menor que a Corrente de Manutenção, as barreiras de potencial formam-se novamente e o SCR entrará em Bloqueio. É por este motivo que dizemos que o SCR é uma Chave de Retenção (ou Travamento) porque uma vez em condução, permanece neste estado enquanto a Corrente de Ânodo IA for maior que a Corrente de Manutenção (IA > IH), mesmo sem corrente no gatilho (IGK). 
Aumento de valores nominais do SCR 
A garantia de que os valores nominais máximos do SCR não serão excedidos depende da escolha de um dispositivo com valores nominais suficientes. Podemos aumentá-los com o uso de refrigeração externa, o que remove o calor produzido pelas perdas no dispositivo. O acréscimo de circuitos externos também pode elevar a capacitação de controle da tensão e da corrente. Os valores nominais podem ser aumentados, igualmente, com a ligação de SCRs em série e em paralelo
A confiabilidade e a vida dos dispositivos semicondutores dependem basicamente do modo como são refrigerados. A potência gasta na forma de calor também. Em geral, os SCRs dissipam cerca de 1% da potência total. Eles devem ser posicionados em lugares bem ventilados, frescos e longe de outros dispositivos geradoresde calor.
A potência máxima controlada por um único SCR é determinada por seu valor nominal de corrente direta e por seu valor nominal de tensão de bloqueio direta. Quando se deseja maximizar um desses dois valores, podemos fazer associação de SCR´s ligando os mesmos em série ou paralelo.
Aumento de valores nominais do SCR 
SCRs em série :
Se a tensão de entrada for maior do que o valor nominal de um único SCR, dois ou mais deles podem ser ligados em série, de maneira a aumentar a capacidade de bloqueio direto direta. 
SCR´S em Paralelo:
Quando a corrente de carga exceder o valor nominal de um único SCR, os dispositivos serão ligados em paralelo, para que suas capacidades de corrente sejam aumentadas. Se eles não tiverem ligados conectados de maneira perfeita, o resultado é um compartilhamento desigual da corrente. 
Sinais DC
 A chave S é fechada para levar o SCR ao do ligado. Ao se fechar a chave, aplica·se uma corrente DC na porta do SCR, que está diretamente polarizado pela fonte (Vs). Uma vez que ele esteja conduzindo a chave pode ser aberta, para remover o sinal da porta. 
A aplicação de sinal DC constante na porta não é desejável, por causa da dissipação de potência que estaria presente durante o tempo todo. 
Sinais DC
 O SCR tem uma corrente máxima de porta de 100 mA e um valor máximo de VGK de 2 V. Se Eg for igual a 15 V, determine o valor de Rg que fornecerá corrente suficiente para a passagem para o estado ligado e a potência pela porta. 
Qualquer valor acima de 130Ω satisfaz a condição.
Sinais DC
 A passagem do SCR para o estado desligado pode ser realizada das seguintes maneira:
Desviando a corrente de ânodo por um caminho alternativo; 
Curto-Circuitando o ânodo com o cátodo do SCR; 
Aplicando uma tensão inversa (tornando o cátodo positivo em relação ao ânodo) no SCR;
Forçando a corrente de ânodo a cair a zero por um período breve; 
Abrindo o caminho externo proveniente da tensão de alimentação do ânodo
Reduzindo a zero, por um momento, a tensão de alimentação
Retificador monofásicos não controlados
Retificador monofásicos não controlados
O retificador de meia-onda mostrado é ligado a uma fonte AC 50 V. Se a resistência de carga for de 100 Ω., determine:
a tensão máxima na carga
a tensão média na carga
a corrente máxima na carga d
a corrente média na carga
a corrente RMS na carga
a potência de saída DC (média) 
a potência de entrada AC
 a eficiência do retificador
o número de pulso 
o ângulo de condução
Retificador monofásicos não controlados
Retificador monofásicos não controlados
Retificador monofásicos não controlados
Retificador de onda completa em ponte 
Retificador monofásicos não controlados
Retificador de onda completa em ponte é alimentado por uma 120 V, 60 Hz. Se a resistência de carga for de 10Ω, determine:
tensão média na carga 
corrente máxima na carga
 corrente média na carga 
potência entregue à carga
Retificador monofásicos não controlados
SCR – Retificador controlado de silício
Após disparado, desligo um SCR:
- Anodo menos positivo que catodo;
- Retirando alimentação;
- Diminuindo corrente que flui de A para K, para valor menor que IH.
Outras formas de disparo SCR:
Aumento de temperatura;
Elevando tensão Vak para valor de ruptura Vbo 
SCR – Retificador controlado de silício
VAK
Valor médio de um sinal
Dada uma função periódica f(t)=f(t+T).
Onde T é o período da função o seu valor médio é:
Retificador monofásico controlado 
½ onda
Ângulo de disparo ou retardo 
Ângulo de condução 
MAX
MIN
Retificador monofásico controlado 
ONDA COMPLETA COM TERMINAL CENTRAL
Retificador monofásico controlado 
½ ONDA - EXEMPLO
1 – Um retificador controlado de ½ onda ligado a uma rede de 150V 60Hz, está alimentando uma carga resistiva de 10Ω. Sendo o ângulo de retardo igual . Determine:
a)A corrente máxima na carga.
b)A tensão média na carga.
c)A corrente média na carga.
d)A corrente RMS na carga.
e)A potência fornecida a carga.
f)O ângulo de condução.
g)A frequência de ondulação.
h)O fator de potência.
Retificador monofásico controlado 
½ ONDA - EXEMPLO
1 – Um retificador controlado de ½ onda ligado a uma rede de 150V 60Hz, está alimentando uma carga resistiva de 10Ω. Sendo o ângulo de retardo igual . Determine:
Retificador monofásico controlado 
½ ONDA - EXEMPLO
1 – Um retificador controlado de ½ onda ligado a uma rede de 150V 60Hz, está alimentando uma carga resistiva de 10Ω. Sendo o ângulo de retardo igual . Determine:
Retificador monofásico controlado 
onda completa em ponte carga resistiva
Retificador monofásico controlado 
onda completa em ponte carga resistiva
EXERCÍCIOS
 
1) O que acontece no circuito quando o SCR atinge o VBO?
EXERCÍCIOS
 
2) Determine o valor da indutancia (L) para limitar a di/dt em 20 A/µs. Dados: RL= 10Ω e VS= 220 Vef.
EXERCÍCIOS
 
3) Explique o que a corrente de manutenção do SCR?
4) Explique a finalidade do resistor e o capacitor em paralelo com SCR?
EXERCÍCIOS
 
5) O retificador monofásico controlado abaixo é ligado a uma fonte A.C de 50 V (senoidal - 60 HZ). Responda o que se pede:
 A tensão Máxima na Carga
A tensão continua de saída (Vo) para os ângulos de disparos: 0º; 45º e 90º
Sabendo que o resistor de saída (R) é de 10Ω, calcule a potência máxima de saída que o circuito pode fornecer a este resistor.
Desenho o gráfico do circuito para o ângulo de disparo de 45 º nos seguintes pontos: Tensão de entrada do retificador (Fonte), tensão de Anodo e Catodo do SCR ( Vak)e a tensão de saída do retificador (Vo). 
EXERCÍCIOS
6) O retificador monofásico controlado abaixo é ligado a uma fonte A.C de 90 V (senoidal - 60 HZ). Responda o que se pede:
 A tensão Máxima na Carga
A tensão continua de saída (V0) para os ângulos de disparos: 0º; 45º e 90º
Desenho o gráfico do circuito para o ângulo de disparo de 90 º nos seguintes pontos: Tensão de entrada do retificador, tensão de saída do retificador, mostre quais instantes de condução dos SCR 1, 2 , 3 e 4.
EXERCÍCIOS
7) Uma chave ideal controla uma carga de 20 Ω conectada a uma fonte AC
de 120 V. Se a chave estiver ligada por 200Al do tempo, determine a potência consumida pela carga.
8)Duas condições devem ser atendidas para fazer com que um SCR passe
para o estado ligado. Quais são elas?
EXERCÍCIOS
8)O retificador de onda completa mostrado na figura, é alimentado por uma fonte de 50 V. Se a resistência de carga for de 100Ω , determine:
a) a tensão média na carga
b) a corrente máxima na carga
c) a corrente média na carga
d) a potência de entrada AC
e) o angulo de condução
f) Desenhe as formas de ondas em todos
Os pontos do circuito.
EXERCÍCIOS
9)O retificador de onda completa mostrado na figura, é alimentado por uma fonte de 120 V. Se a resistência de carga for de 10,8Ω , determine:
a) a tensão média na carga
b) a corrente máxima na carga
c) a corrente média na carga
d) a potência de entrada AC
e) o angulo de condução
f) Desenhe as formas de ondas em todos
Os pontos do circuito.
EXERCÍCIOS
10) Um retificador controlado de meia-onda ligado a uma fonte de 150 V, 60 Hz, está alimentando uma carga resistiva de 15 Ω. Se o ângulo de retardo a for de 30°, determine:
a) a corrente máxima na carga
b) a tensão média na carga
c) a corrente média na carga
d) a corrente RMS na carga
e) a potência fornecida á carga
f) o ângulo de condução
g) a frequência de ondulação
h) o fator de potência
i) Desenhe as formas de ondas em todos
Os pontos do circuito.
EXERCÍCIOS
O retificador de onda completa em ponte é alimentado por um fonte de 150 V com resistência de carga de 10Ω. Se o ângulo de for de 30º, determine:
a) a tensão média na carga
b) a corrente média na carga
c) a corrente RMS na carga
d) a potência fornecida á carga
e) o ângulo de condução
f) a frequência de ondulação
g) o fator de potência
h) Desenhe as formas de ondas em todos
Os pontos do circuito.
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