CAT169 - Parte 04 - Chaves estáticas

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ESCOLA DE MINAS
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
DECAT – DEP. DE ENG. DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO
Prof. Rúben C. Barbosa
(rubencbarbosa@gmail.com)
(rubencbarbosa@outlook.com)
Parte 04:
Chaves estáticas
CAT169 – Acionamentos Elétricos
CHAVES ESTÁTICAS
DECAT/EM/UFOP
CHAVES ESTÁTICAS
• Diodos;
• Transistores:
• BJTs – transistores bipolares de junção;
• MOSFETs – transistores de efeito de campo metal-óxido-
semicondutor;
• IGBTs – Transistores bipolares de porta isolada;
• UJTs – Transistores de unijunção;
• Tiristores:
• SCR – retificador controlado de silício;
• SCS – Chave controlada de silício;
• GTO – Transistor de desligamento de porta;
• Diac ;
• Triac;
• MCT – Tiristor controlado MOS;
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
DIODOS
• Características de tensão-corrente de um diodo.
• Quando a tensão de polarização direta é
maior que a queda de tensão direta
(cerca de 0,7 V) a corrente amenta
rapidamente.
• A corrente será limitada apenas pela
resistência interna do diodo.
• Inversamente polarizado existe uma
pequena corrente  corrente de fuga,
que aumenta com a tensão reversa.
• Quando a tensão reversa é maior que a
de ruptura, o diodo deixa passar
grandes correntes.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
DIODOS
• Diodo Ideal.
• Eletrônica de potência:
• Altas tensões e correntes;
• Características detalhadas dos
diodos não são tão importantes.
• Podemos trata-lo como um diodo
ideal:
• Quando diretamente
polarizado não há queda de
tensão sobre ele.
• Quando inversamente
polarizado não há corrente de
fuga.
• Essa característica permite tratar
o diodo ideal como uma chave.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
DIODOS
• Polarização de um diodo (ideal):
• Tensão no ânodo > tensão no 
cátodo:
• Diz-se que o mesmo está 
diretamente polarizado;
• O diodo conduz.
• Tensão no ânodo < tensão no 
cátodo:
• Inversamente polarizado;
• O diodo não conduz.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• BJTs – Transistor Bipolar de Junção:
• Encontrados em 2 tipos: PNP, NPN.
• O NPN alcança valores nominais de tensão e
corrente maiores.
• Mais usados em eletrônica de potência.
• Costuma ser simplesmente chamado de
transistor.
• Possui 3 terminais:
• Base (B);
• Coletor (C);
• Emissor (E);
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• BJTs – Continuação:
• Se a ponta da seta aponta:
• Para base: NPN;
• Para fora da base: PNP;
• Quando usado como chave os terminais C e E
são ligados em série com o circuito da fonte.
• Terminais B e E são ligados ao circuito
acionador – controla quando ligar ou
desligar.
• O coletor e emissor não devem ser invertidos –
características mudam significativamente.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• BJTs – continuação:
• Curvas características:
• Na maioria das aplicações de
potência utiliza-se a configuração
emissor comum.
• 3 regiões de operação:
• Corte;
• Saturação;
• Ativa;
Curva característica V-I de um BJT em emissor 
comum.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• BJTs – continuação:
• Regiões de operação:
• Corte: 
• 𝐼𝐵 é nula, 𝐼𝑐 é desprezível
(chave aberta);
• Saturação:
• 𝐼𝐵 grande o suficiente → 𝐼𝐶
será grande e 𝑉𝐶𝐸 será quase
nula (chave fechada);
• Ativa
• junção base-emissor →
inversamente polarizada
• junção coletor-base →
diretamente polarizada;
• usada em geral em
amplificação de sinais;
Curva característica V-I de um BJT em 
emissor comum.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• BJTs – Curva característica ideal:
• Quando transistores são usados
como chaves, principalmente no
caso dos de potência, pode-se
considerar a curva característica
de um transistor ideal.
Curva característica idealizada do TJB.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• BJTs – Polarização de um 
transistor:
• Para aplicações de potência a
polarização é feita em geral no
configuração emissor comum
• Ponto P1: operação ideal como
chave fechada → 𝐼𝐶 = 𝑉𝐶𝐶/𝑅 e
𝑉𝐶𝐸 = 0.
• Ponto P4: operação ideal como
chave aberta. → 𝐼𝐶 = 0 e 𝑉𝐶𝐸 =
𝑉𝐶𝐶.
Reta de carga DC.
Polarização emissor comum de um transistor.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• A linha de P1 a P4 é a reta de
carga.
• Interseção da reta com 𝐼𝐵 é o
ponto de operação do transistor
(determinado por 𝑉𝐶𝐶 e 𝑅𝐶);
• Ponto P2: operação no corte →
reta de carga intercepta 𝐼𝐵 = 0
• Ponto P3: operação quando BJT
está ligado, (𝐼𝐵 = 𝐼𝐵 𝑆𝐴𝑇 ) .
Ponto de saturação.
Reta de carga DC.
Polarização emissor comum de um transistor.
• BJTs – Polarização de um transistor 
(continuação):
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• MOSFETs – Transistores de efeito de campo metal-óxido-
semicondutor de potência
• É um transistor de chaveamento rápido.
• Alta impedância de entrada.
• Potências mais baixas (alguns quilowatts).
• Alta frequência (até 100 kHz).
• Aplicações:
• Fontes chaveadas, onde altas frequências significam 
componentes menores e mais baratos.
• Motores de baixa velocidade controlada que utilizem 
modulação por largura de pulso.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• MOSFETs – continuação
• O MOSFET passará para o estado ligado quando 𝑉𝐺𝑆 > 𝑉𝑇𝐻,
sendo 𝑉𝑇𝐻 a tensão limiar (normalmente entre 2 a 4 V para
MOSFETs de alta tensão).
• A tensão na porta 
controla a corrente 
de dreno.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• MOSFETs – continuação
• 3 regiões de de operação:
• Corte: quando
𝑉𝐺𝑆 < 𝑉𝑇𝐻 (válida para
𝑉𝐷𝑆 < 𝐵𝑉𝐷𝑆𝑆)
• Se 𝐵𝑉𝐷𝑆𝑆 (tensão de
ruptura) é alcançada a
corrente aumenta
rapidamente podendo
danificar o dispositivo.
• Ativa: quando 𝑉𝐺𝑆 >
𝑉𝑇𝐻 → amplificador.
Não é usada para
aplicações de eletrônica
de potência.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• MOSFETs – continuação
• Região ôhmica: deve-se
usar um 𝑉𝐺𝑆 mais alto que o
necessário na região ativa
(em torno de 10V, não
podendo ultrapassar os
20V);
• Quanto menor a
resistência no estado ligado
𝑅𝐷𝑆 𝑂𝑁 , mais baixa a
queda de tensão no estado
ligado, menor as perdas e
maior a capacidade de
corrente
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• MOSFETs – Curva característica 
ideal
• A curva característica ideal para o
MOSFET é apresentada ao lado.
• A corrente de dreno é igual a zero e
𝑉𝐷𝑠 é igual a fonte de alimentação.
• A tensão na porta faz com que o
dispositivo passe para o estado
ligado → 𝑉𝐷𝑆 = 0.
• Embora não seja uma chave ideal é
suficientemente próxima de uma.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• IGBTs – Transistores bipolares de porta isolada
• Mescla as características de baixa
queda de tensão no estado ligado
do BJT com as excelentes
características de chaveamento,
circuito simples de acionamento e
a alta impedância do MOSFET.
• Correntes nominais de corrente e
tensão bem maiores que os
MOSFETS de potência.
• Ex.: 1400 V, 1000 A
• Velocidade de chaveamento
maiores que a dos BJTs mas
menores que a dos MOSFETS (até
50 kHz)
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• IGBTs – Transistores bipolares de porta isolada
• Sua capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim, em
geral menos de 10 V.
• Operação:
• Ligado:
• Polarizar positivamente o
terminal do coletor (C) em
relação ao emissor (E).
• Tensão de porta 𝑉𝐺 ≥ 𝑉𝑇𝐻
positiva o passará para o
estado ligado.
• Desligado:
• Quando a tensão na porta
for anulada.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• UJTs – Transistores de Unijunção
• Dispositivo de 3 terminais, 1 emissor (E) e duas bases, (B1) e
(B2)
• Usado paragerar pulsos de acionamento de outros
dispositivos, como SCRs.
• Seus terminais de controle também são terminais de potência.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• UJTs – Transistores de Unijunção
• Com 𝑉𝐸𝐵1 = 0 tem-se uma
resistência interna entre B2 e
B1, chamada de resistência de
interbase (RB) na ordem de kΩ.
• A relação entre RB1 e RB2 
resistência de stand-off 𝜂.
• O valor e 𝜂 determina a
polarização inversa:
𝜂 =
𝑅𝐵1
𝑅𝐵
=
𝑅𝐵1
𝑅𝐵1 + 𝑅𝐵2
• 𝜂 fica entre 0,5 e 0,8.
Circuito equivalente: (a) ligado (b) desligado.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TRANSISTORES
• UJTs – Transistores de Unijunção
• Polarização do UJT
• Normalmente é polarizado
como mostra a figura.
• 𝑅𝐵1 e 𝑅𝐵2 atuam como divisor
de tensão, de tal modo que o
ponto 𝜂:
𝑉𝑅𝐵1 = 𝜂𝑉𝐵𝐵
• Para ir para o estado ligado, 𝑉𝐸
deve ser maior que 𝑉𝑝 (tensão
de pico):
𝑉𝑝 = 𝑉𝑏 + 𝜂𝑉𝐵𝐵
• 𝑉𝑏 é a barreira de potencial da
junção PN ( ≈ 0,7 V para o
silício).
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• SCRs:
• Chaveamento rápido, pequeno
porte e valores nominais de
corrente e tensão elevados.
• Terminais: ânodo (A), cátodo (K) e
porta (G).
• Quando é diretamente polarizado
(A+ e K-), uma tensão positiva na
porta passa o SCR de desligado
para ligado.
• Não é a porta que desliga a
corrente do SCR.
• É desligada quando se interrompe
a corrente do ânodo.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• SCRs:
• O SCR pode ser comparado a um
modelo com 2 transistores, um
NPN e outro PNP.
• Para passar o SCR para o estado
ligado basta que a porta receba um
pequeno pulso positivo de
pequena amplitude por um curto
intervalo.
• Assim que ligado o sinal na porta
não terá mais finalidade podendo
ser retirado.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• SCRs:
• Curva característica de um SCR
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• SCRs:
• Curva característica ideal de um SCR
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• SCS – Chave controlada de silício:
• Dispositivo com 4 camadas PNPN.
• Possui 2 portas: ânodo (AG) e cátodo
(KG).
• O SCS passa para ligado com a
aplicação de um pulso positivo em KG
ou negativo em AG.
• Se estiver ligado, passa para
desligado com um pulso positivo em
AG, ou negativo em KG.
• Corrente em AG é maior para passar
para ligado que a necessária na KG.
Estrutura
Símbolo
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• SCS – Chave controlada de silício:
Estrutura
Símbolo
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• GTO – Transistor de desligamento de porta:
• Passa para o estado ligado
como um SCR – pulso positivo
na porta.
• Pode passar para o estado
desligado com uma corrente de
porta negativa.
• Possui qualidades melhoradas
de chaveamento.
• Tempo de ligação similar a um
SCR, mas o de desligamento é
muito menor.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• GTO – Transistor de desligamento de porta:
• Valores de tensão e corrente
nominais mais baixos que os do
SCRs.
• Quedas de tensão maiores em
estado ligado.
• Corrente de fuga menor.
• Amplitude da corrente de porta
necessária para mudança de
estado é maior que a do SCR.
• Capacidade reduzida de
bloqueio de tensão inversa.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• Diac:
• Chave condutora de 3 camadas e 2
terminais.
• Opera como 2 diodos ligados em
contraposição.
• Passa para ligado quando se excede a
tensão de disparo (𝑉𝐵𝑂)
• Pode ser chaveado de ligado para
desligado para qualquer uma das
polaridades de tensão.
• Útil em aplicações AC.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• Triac:
• É um diac com um terminal de porta para controlar a
passagem ao estado ligado.
• 3 terminais: principal 1 (MT1) principal 2 (MT2) e porta (G).
• Pode ser considerado como 2 SCRs ligados em contraposição
em paralelo.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• Triac:
• A curva característica V-I do
triac é idêntica à do SCR para as
2 polaridades.
• A tensão de disparo pode ser
controlada pela aplicação de um
sinal positivo ou negativo à
porta.
• Quando a amplitude do sinal
em G aumenta, 𝑉𝐵𝑅 diminui.
• Quando disparado o sinal pode
ser removido como no SCR.
• Deixa de conduzir quando a
corrente se torna menor que a
corrente de sustentação 𝐼𝐻.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• MCT – Tiristor controlado MOS:
• Combina as características do
transistor de efeito do
MOSFET e do SCR.
• Queda de tensão direta
pequena quando ligado.
• Baixo tempo de
desligamento.
• Capacidades altas de 𝑑𝑖/𝑑𝑡 e
𝑑𝑣/𝑑𝑡.
• Funcionamento similar ao
GTO, mas com correntes de
porta menor para
desligamento.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• MCT – Tiristor controlado MOS:
• Principal desvantagem: baixa
capacidade de bloqueio de
tensão inversa.
• 𝑄𝑂𝐹𝐹 passa para o estado
desligado enquanto 𝑄𝑂𝑁
passa para o ligado.
DECAT/EM/UFOPCHAVES ESTÁTICAS
TIRISTORES
• MCT – Tiristor controlado MOS – CURVA CARACTERÍSTICA