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Curso de Engenharia Elétrica Bruno da Silva Nora, MSc. Eng. (brunonbp@hotmail.com) Eletrônica Industrial Turma: 2017/1 Aula de Apresentação – Revisão de Semicondutores Conteúdo • Sobre o professor. • Calendário/ Assunto das Aulas/ Dias das Provas. • Método de avaliação do aluno. • Quais os objetivos do curso de eletrônica industrial? • Que contempla a eletrônica industrial? Tipos de conversões de energia. Semicondutores em Eletrônica de Potência. • Revisão sobre Alguns Semicondutores. Sobre Diodos; Sobre Tiristores. 2 Sobre o professor • Histórico: Estagiário em Engenharia Elétrica na CSN Alto-Forno#3 (2008-2009); Graduado em Engenharia Elétrica pela USS no ano de 2009; Mestrado em Eletrônica de Potência pela UFSC no ano de 2012; Projetista de Hardware da WEG Equipamentos Elétricos S/A (2012-2014); Pesquisador em Engenharia Elétrica pelo Lab. H2- COPPE-UFRJ (2014-2016); Professor da Cadeira de Eletrônica Industrial/ Dispositivos Eletrônicos na USS; 3 Calendário/ Assunto das Aulas/ Dias das Provas Dia - Data Aulas de Eletrônica Indutrial Sáb 11/02/17 Revisão Semicondutores - Diodos e Tiristores Sáb 18/02/17 Revisão Semicondutores - GTO's e IGBT's Sáb 25/02/17 Técnica de Modulação Pot. - Controle por Ciclos Inteiros e Controle de Fase Sáb 04/03/17 Recesso Sáb 11/03/17 Retificadores Monofásicos Passivos e Ativos Sáb 18/03/17 Retificadores Trifásicos Passivos Sáb 25/03/17 Conversores CC-CC Básicos - Buck e Boost MCC Sáb 01/04/17 P1 - Prova Sáb 08/04/17 Conversores CC-CC Básicos - Buck-Boost MCC Sáb 15/04/17 Recesso Sáb 22/04/17 Recesso Sáb 29/04/17 Inversores Monofásicos Sáb 06/05/17 Inversores Trifásicos Sáb 13/05/17 Variadores de Tensão Sáb 20/05/17 Jornada Severino Sombra Sáb 27/05/17 Cicloconversores Sáb 03/06/17 P2 - Prova Sáb 10/06/17 Dimensionamento de Dissipadores de Calor Sáb 17/06/17 Conceitos Básicos de Harmônicos Sáb 24/06/17 Exame Final 4 Método de avaliação do aluno A média final da disciplina será calculada por: MF = 0,5(P1⋅X% + TB1⋅Y% + P2 ⋅Z%+ TB2 ⋅W%) Onde: P1 : Nota da Prova 1; P2: Nota da Prova 2; TB1: Nota dos Trabalhos e exercícios de aula/casa; TB2: Nota dos Trabalhos e exercícios de aula/casa. X%: Valor percentual entre 80% e 90% - Dependendo do rendimento da turma em TB1 – Atribuído pelo professor (sem discussão) ; Y%: Valor percentual entre 10% e 20% - Dependendo do rendimento da turma em TB1; Z%: Valor percentual entre 80% e 90% - Dependendo do rendimento da turma em TB2 – Atribuído pelo professor (sem discussão) ; W%: Valor percentual entre 10% e 20% - Dependendo do rendimento da turma em TB2; 5 Método de avaliação do aluno Considerado Aprovado: • Frequência nas aulas ≥ 75% ; • Condições de Média Final e Exame Final, caso este seja preciso, conforme figura ao lado. Considerado Reprovado: • Frequência nas aulas < 75% ; • Condição de Média Final< 4,0; • Condição de Média c/ Exame Final, conforme figura ao lado. 6 Quais os objetivos do curso de eletrônica industrial? • Pretende-se neste curso: Formar profissionais que saibam projetar, especificar, manter e testar equipamentos elétricos, eletromecânicos e eletroeletrônicos; Apresentar ao aluno as tecnologias de acionamento aplicadas na indústria; Capacitá-lo a interpretar diagramas eletrônicos e técnicas de controle; Efetuar simulações a partir de aplicativos. Fazer download do PSIM, instalar e observar seus exemplos. (https://powersimtech.com/) 7 Que é Eletrônica de Potência? 8 • É a ciência que estuda o processamento eficiente da energia elétrica de forma estática, ou seja, por meio de interruptores estáticos (semicondutores) operando como chaves. Abrange níveis de potência desde unidade de mW até centenas de MW. Que contempla a eletrônica industrial? 9 • mW – Eletro-portáteis GW – Linhas de Transmissão de Energia Que contempla a eletrônica industrial? • Dispositivos eletrônicos que permitem: Acionar máquinas elétricas: Soft-starter. Acionar/controlar máquinas elétricas: Gradadores; Inversores de frequência. Controle de temperatura ou luminosidade; Gradadores; Conversores de potência; Inversores de frequência (compressores AC). Correção de interferência harmônica: Filtros Ativos. Fontes: Retificadores passivos; Retificadores ativos; Conversores. Geração/adequação de energia : Conversores multiníveis; conversores de potência. 10 Conhecimentos Necessários 11 Área multidisciplinar Por que Usar Circuitos Comutados? 12 Determine : A potência entregue a carga (PRL); A potência dissipada no reostato (PR1). A potência total fornecida ela fonte (PE). A eficiência (). Se o Reostato for ajustado para: (a) 0 (b) 10 Sendo: E=100V; Carga RL=10 . Reostato controlando tensão de carga. Por que Usar Circuitos Comutados? 13 Sendo: E=100V; Carga RL=10 . Chave controlando tensão na carga. Determine : A potência entregue a carga (PRL); A potência total fornecida ela fonte (PE); A eficiência (). Se a chave estiver: (a) Fechada; (b) 50% do tempo fechada. Tipos de Conversões de Energia Conversor CA-CA 14 Conversores CA-CC: Denominados de retificadores, convertem a tensão alternada em uma tensão contínua. Conversores CA-CA: Denominados choppers CA, convertem uma tensão alternada em outra tensão alternada. Conversores CC-CC: Denominados de choppers, convertem tensão contínua em tensão contínua. Conversores CC-CA: Denominados de inversor, convertem a tensão contínua em alternada, muito usados em acionamento. Aplicações Conversores CA-CC-CC 15 Estágio de saída de fontes p/ equipamentos eletrônicos Conversor CA-CA Aplicações Conversores CA-CC (Retificadores) 16 Conversor CA-CA Aplicações Conversores CA-CC-CA 17 Conversor CA-CA “Inversores” tradicionais Nobreaks Sistemas Eólicos Aplicações Conversores CC-CA (Inversores) 18 Conversor CA-CA Inversores de tração elétrica Inversores sistemas auxiliares de veículos elétricos Aplicações Conversores CA-CA (Inversores) 19 Conversor CA-CA Chuveiros eletrônicos Controle de luminosidade Fornos Industriais Aplicações Conversores CC-CC-CA 20 Conversor CA-CA Sistemas de painéis fotovoltaicos Semicondutores em Eletrônica de Potência 21 Características Potência x Frequência por gama de dispositivos: Aplicações: Drive AC – Redes T&D / Média a alta voltagem Aplicações: Drive AC – Energias Renováveis – Redes T&D Somente média voltagem (>1kV DC link) Faixa mínima MW. Aplicações: Todo o tipo de inversores Faixa de kW a MW. Aplicações: Pequenos inversores – SMPS - Faixa Watts - KW. Semicondutores em Eletrônica de Potência Características Corrente x Tensão x Frequência gama de dispositivos: 22 Limites de operação de semicondutores de potência Diodos de Potência 23 + ~ ~ ~ ~ + - Diodos de Potência 24 P N Cátodo (K) Ânodo (A) id Propriedades - Símbolo e características V-I-estáticas -I (A) Corrente reversa +ID(A) Corrente Direta +V -V Tensão Direta Tensão reversa Região Polarização Direta Região Polarização Reversa 0,7V Silício 0,3V Germânio “Joelho” Tensão reversa de ruptura Silício -20 mA Germânio -50 mA Zener Breakdown ou região de avalanche vd Diodos de Potência 25 Propriedades - Símbolo e características V-I-estáticas -I (A) Corrente reversa +ID (A) Corrente Direta VD -V Tensão Reversa Região Polarização Direta Região Polarização Reversa Vd 0,7V Silício “Joelho” VBR ou VRRM Tensão reversa De ruptura IS Corrente reversa Zener Breakdown ou região de avalanche VD = Voltagem aplicada. ID = Corrente direta IS = Corrente reversa. VBR = Tensãode ruptura. V d = Tensão da Barreira Potencial. Diodo de Potência 26 Em polarização reversa, a corrente é nula, seja qual for o valor da tensão inversa aplicada. Em polarização direta, a queda de tensão é nula, seja qual for o valor da corrente. ID VD Ânodo Cátodo ID V D + - curva característica Vd=0V RD=0 Quando ocorre o bloqueio do diodo, após sua condução? 1ª Aproximação: Diodo ideal – Curva Característica/ Circuito Equivalente _ + ID Diodo 1ª Aproximação + _ Polarização Reversa Polarização Direta A K A K Exercícios Diodos – 1ª Aproximação • Calcule a tensão e a corrente na carga (RL) considerando um diodo ideal em (a) e (b). 27 Exercícios Diodos – 1ª Aproximação • Desenhe as formas de onda do circuito abaixo e desenvolva as fórmulas para as tensões média e eficaz sobre a carga e sua corrente média e eficaz, considerar diodo ideal. Retificador de meia-onda c/ diodo ideal. • Calcule o potência na carga (RL). 28 29 Diodo de Potência 2ª Aproximação: Curva Característica/ Circuito Equivalente 0 ID VD Vd Curva característica 2ª Aproximação VD _ + 0,7V Vd ID Diodo 2ª Aproximação 0,7V Vd + _ VD Polarização Reversa Polarização Direta Perda de Condução: Pd_cond=Vd.Id(méd) A K A K • Calcule a tensão e a corrente na carga (RL) para a segunda aproximação do diodo e calcule a potência dissipada sobre o diodo. • Desenhe as formas de onda do circuito abaixo e desenvolva as fórmulas para as tensões média e eficaz sobre a carga e sua corrente média e eficaz, considerar 2ª aproximação do diodo . Retificador de meia-onda c/ diodo. 30 Exercícios Diodos – 2ª Aproximação 31 Diodo de Potência 3ª Aproximação: Curva Característica/ Circuito Equivalente VD _ + 0,7V Vd ID RD Diodo 3ª Aproximação 0,7V RD Vd + _ VD Polarização Reversa Polarização Direta Perda de Condução: Pd_cond=Vd.Id(méd) +RD.(Id(ef))² 0 ID VD Vd declive = 1/RD Curva característica real Curva característica assintótica A K A K Resistência de corpo: RD=(V2-Vd)/I2 V2 I2 VRRM= 1000V Tensão Reversa Repetitiva máx. IF (AV)= 1A Corrente direta média máx. VF = 1,1V Queda de Tensão direta IR = 50 uA Corrente Reversa VD ID IR VRRM IF Sugiro buscar na internet a folha de dados para os componentes. Para um dispositivo (1N4007 por exemplo) geralmente aparecem vários fabricantes para o mesmo componente. NOTA: IF(AV) F AVF I I )(Normalmente: Parâmetros da folha de dados do fabricante Diodos 32 Parâmetros do Datasheet do fabricante 33 Diodo de Potência 34 Diodo de Potência Parâmetros do Datasheet do fabricante 35 Diodo de Potência 36 Diodo de Potência Recordando: O diodo somente bloqueia quando a corrente no diodo se torna nula e tensão de catodo maior que tensão de anodo. Ao aplicar tensão direta na junção é possível a circulação de corrente elétrica. 37 Diodo de Potência Tipos de encapsulamentos em diodos de potência: 1N4007 (Si) 1N4148 (Si) DO 201 DO 204 BYT16P-300A (Si) + ~ ~ HSMS2827 (Schottky Si) ~ ~ + - B380 C3700 (Si) B380 C1500 (Si) 38 Tiristores Um dos 12 SCRs para um “pequeno” retificador trifásico de 500 MW e 500 KV - (Inga-Shaba, ZAIRE). 39 Sobre os Tiristores Os Tiristores são dispositivos altamente populares na eletrônica de potência. São dispositivos eletrônicos realmente robustos, que permitem alcançar as potências mais elevadas. O primeiro Tiristor foi desenvolvido em 1956 no Bell Telephoned Laboratory. Inicialmente foi chamado de Transistor PNPN (hoje é conhecido como SCR). Definição e tipos Interruptor de potência muito alta. Potências e tensões muito altas. Frequências de comutação não superior a 50 kHz. SCR: (Silicon Controlled Rectifier). Retificador controlado de Silicio - Interruptor unidirecional. GTO: (Gate Turn-off) – interruptor unidirecional desligado pela porta (Gate). TRIAC: (Triode AC) Interruptor bidirecional. DIAC: (Diode AC). Interruptor bidirecional ( Controle de tiristores) O nome Tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores multicamadas, que operam em regime de comutação. 40 Tiristor - SCR SCR: Silicon Controlled Rectifier Símbolo (Cátodo) K (Porta -Gate) G A (Ânodo) Estrutura Interna circuito equivalente K A G n+ p+ P N p+ A K G A G K I IG=0 IG1 IG2 IGT IGT>....>IG2>IG1 VT =1,5V Região Polarização Reversa NOTA: O disparo por tensão direta (VBO) é considerado indesejável e, como regra geral, o SCR deve de ser seleccionado para que isso não ocorra. Curva Característica IA VBR ou VRRM Voltagem Reversa de ruptura VAK Corrente de fuga reversa VB0 Voltagem direta de ruptura IH Corrente de manutenção IL Corrente de disparo Disparo do Gate IG iT Região Polarização Direta 41 Tiristor - SCR Analogia entre SCR e BJTs – Explicação para disparo e bloqueio Disparo: Ao aplicar-se uma corrente IG, no terminal da Porta (Gate), produz-se uma corrente IC2 = IB1. Como IB1 é a corrente de Base do transistor Q1, produz-se assim uma corrente de colector de Q1 (IC1). Essa corrente IC1 faz a realimentação do gatilho de Q2, não sendo mais necessário ter o comando pelo gatilho G. Mesmo que a tensão em G seja suprimida o SCR permanece conduzindo. 42 Tiristor - SCR Analogia entre SCR e BJTs – Explicação para disparo e bloqueio Bloqueio: Após acionado o SCR, para bloquea-lo basta cessar a corrente de anodo (IA) e a realimentação acabará e o bloqueio do SCR será atingido. Tiristor - SCR Condições para disparo do SCR: VAK>Vt=1,5V; IG>IGT; (dado de datasheet) VGK>VGT; (dado de datasheet) IT>IL=2*IH. (dado de datasheet) Condições para bloqueio do SCR: IT<IH. (dado de datasheet)* VAK<0; IG=0; Nota (*): Principal condição para bloqueio do SCR; as outras condições não necessariamente precisam ser atendidas. K G A IT V T + - 43 44 Tiristor - SCR Nota: O gatilho (G) faz parte do circuito de controle, enquanto anodo e catodo participam do circuito de potência. Respondam! A lâmpada acenderá ao aplicar uma tensão no gatilho na figura abaixo? 45 Tiristor - SCR Respondam! Com a chave CH1 aberta a lâmpada acenderá? Se fechar a chave CH1, o que ocorrerá? Instantes depois é aberta a chave CH1, o que ocorre? 46 Comparação Diodo e SCR 1ª Aproximação: Curva Característica/ Circuito Equivalente A K ID V D + - ID VD Vd=0V RD=0 _ + IT SCR 1ª Aproximação + _ Polarização Reversa Polarização Direta e Gatilho A K A K IT VT Vt=0V RT=0 K G A IT V T + - + _ Polarização Direta s/ Gatilho A K Com pulso de gatilho Sem pulso de gatilho 1,5V Vt + _ VT A K 1,5V Vt A K VT 47 Comparação Diodo e SCR 2ª Aproximação: Curva Característica/ Circuito Equivalente A K ID V D + - IT SCR 2ª Aproximação Polarização Direta e Gatilho IT VT Vt=1,5V K G A IT V T + - + _ Polarização Direta s/ Gatilho Com pulso de gatilho Sem pulso de gatilho 0 ID VD Vd=0,7V VT _ + 1,5V Vt Perda de Condução: PT_cond=Vt.IT(méd) A K Polarização Reversa 48 Tiristor - SCR 3ª Aproximação: Curva Característica/ Circuito Equivalente SCR 3ª Aproximação Polarização Direta e Gatilho K G A IT V T + - + _ Polarização Direta s/ Gatilho Perda de Condução: PT_cond=Vt.IT(méd)+RT.(IT(ef))² Polarização Reversa VT _ + 1,5V Vt IT RT 1,5V RT Vt + _ VT A K A K Resistência de corpo: RT=(V2-Vt)/I2 VT 1,5V Vt RT A K 1,5V Sem pulso de gatilho Curva característica real V2 I2 iT VT Vt declive = 1/RT Curva característica assintótica c/ gatilho Ideal Tiristor - SCR Exercício: A partirdas formas de onda apresentadas, determine as formas de onda da tensão sobre a lâmpada (VLamp(t)) e sobre o tiristor (VAK(t)). 49 Vmax t t t CH2 VAK VREDE(t) VLAMP(t) Vmax CH1 t Vmax Tiristor - SCR Rg IG G K A IA Carga VAK Vout(t) Vin(t) Vmax t t t Ig VAK Vin(t) Vout(t) Vmax Controle de fase com tiristor 50 Tiristor - SCR Bloqueio forçado por chave: 51 Respondam! a) Com a chave CH2 fechada e CH1 aberta, o que ocorre com a lâmpada? b) Com as chaves CH2 e CH1 fechadas, o que ocorre com a lâmpada? c) Após a ação anterior, CH1 é aberta, o que ocorre com a lâmpada? d) Após as ações anteriores, quais os meios possíveis de apagar a lâmpada e consequentemente bloquear o tiristor? Tiristor - SCR Disparo - Circuito em Corrente Contínua: Determine o valor de R1, sendo dado os valores de VGT e IGT. 52 Tiristor - SCR Disparo - Circuito em Corrente Alternada: Determine o valor do resitor R1 e do potênciometro R2, para os disparos nos ângulos de 30° e 90° . 53 Tiristor - SCR Recordando : Métodos de Desativação do SCR – Método pelo qual a corrente do tiristor fica abaixo da corrente de manutenção (IH): a) Abertura de chave em série com a carga; b) Fechamento de chave em paralelo c/ SCR (by-pass SCR); c) Redução de IT através da redução da tensão da fonte Vcc igual à: VCC=VT+IH.RL=1,5V+IH.RL 54 Tiristor - SCR 55 Recordando : Métodos de Desativação do SCR – através da polarização invertida do SCR: d) Fechamento de chave em série com fonte em antiparalelo ao SCR. Exercício - SCR 56 VCC Para o circuito do SCR abaixo, determine: a) A tensão Vin adequada para o disparo do SCR. b) A tensão VCC limiar para fixar o disparo, ou seja, para não necessitar mais de Vin para manter o SCR conduzindo. c) A tensão VCC limiar para o bloqueio do SCR. Nota: Considere a 2ª aproximação para o modelo do SCR. 57 Tiristor - SCR Tipos de encapsulamentos em SCRs: N1 N2 N3 N4 P1 P2 58 Tiristor - TRIAC TRIAC: Triode for Alternating Current Símbolo Estrutura Interna circuito equivalente T2 T1 G +V -V IG VB01 IH Corrente de Manutenção 1º Q Característica de condução Característica de condução 3º Q VB02 Curva Característica IH Corrente de Manutenção Nota: Os terminais de potência T1 e T2, também podem ser chamados de MT1 e MT2 ou ainda A1 e A2 (anodo 1 e anodo 2). 59 Tiristor - TRIAC TRIAC: (Triode for Alternating Current) É um dispositivo semicondutor de três terminais, que se usa para controlar o fluxo de corrente fornecido a uma carga, com a particularidade de conduzir em ambos os sentidos, e que pode ser bloqueado por inversão da tensão, ou através da diminuição da corrente para um valor abaixo do valor de manutenção. O TRIAC pode ser disparado nos 4 quadrantes de polarização do Gate, mas preferencialmente no 1° e 3° quadrantes. Após disparar o Gate não se tem controle sobre a situação do TRIAC. Para desligar o TRIAC, a corrente de ânodo deve ser reduzida abaixo do valor da corrente de manutenção IH. As aplicações dos TRIACs, são, essencialmente, na corrente alternada. A sua curva característica reflete de forma muito semelhante, a operação de um SCR, aparece no primeiro e terceiro quadrantes do sistema de eixos. Isto é devido à sua bidirecionalidade. A principal aplicação dos TRIACs é como um regulador da potência aplicada a uma carga em corrente alternada. Tiristor - TRIAC Controle de fase com TRIAC 60 IT(RMS) = 12A VDRM = VRRM = 700 V V Carga V T2T1 R L T 2 T 1 G V in I G I G Vmax Disparo I G t t VCarga Desligado Exercício Tiristor - TRIAC Para o circuito mostrado abaixo, determine: a)Qual o ângulo de disparo do TRIAC? b)Desenhar a forma de onda da tensão na carga (Lâmpada). c)Que fazer para alterar o ângulo de disparo do TRIAC? 61 Nota: Despreze o circuito de snubber. Considere a chave CH1 sempre fechada. 62 Tiristor - DIAC DIAC: Diode for Alternating Current Símbolos Estrutura Interna Curva Característica A1 A2 N P P n+ n+ +V -V +IF VB02 VB01 VF -IF Tiristor - TRIAC O DIAC é um tiristor bidirecional (capaz de bloquear ou conduzir uma corrente nos dois sentidos), bastante utilizado na proteção de circuitos e no disparo de TRIACs. Conduz quando recebe uma tensão maior que sua tensão de trabalho VBO, sendo ela positiva ou negativa. O DIAC, é um dispositivo de disparo bidirecional, que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida, e para de conduzir quando a corrente elétrica cai abaixo de um valor característico, chamada de corrente de corte. Este comportamento é o mesmo nas duas direções de condução de corrente. A tensão de disparo geralmente se encontra entre 20 e 40 volts. DIAC: (Diode Alternating Current): Características 63 Obrigado