Dispositivos e circuitos de controle

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ELETRÔNICA 
DE 
POTÊNCIA
Ruahn Fuser
 
Dispositivos e circuitos 
de controle
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Reconhecer as características dos dispositivos e circuitos de controle.
 � Determinar as vantagens do uso dos dispositivos e circuitos de controle.
 � Relacionar os componentes que fazem parte dos dispositivos e cir-
cuitos de controle.
Introdução
Primeiro, é importante saber que cada interruptor eletrônico (SCR, TRIAC, 
IGBT, BJT, etc) possui características construtivas particulares e, por isso, 
necessita de estratégias específicas para controle. Os circuitos básicos 
de controle para dispositivos de potência são encontrados com propó-
sitos direcionados e muitas vezes utilizam-se de componentes especiais. 
Além disso, há no mercado alguns circuitos integrados (CI’s) dedicados 
para alguns interruptores, os quais facilitam a manipulação de circuitos 
complexos de potência.
Neste capítulo, você vai encontrar alguns dispositivos utilizados para 
controlar as chaves eletrônicas, tanto para tiristores quanto para transis-
tores de potência. Tais dispositivos serão posteriormente aplicados em 
circuitos básicos com o objetivo de qualificar as aplicações e conceituar os 
obstáculos na manipulação dos interruptores de potência. Por fim serão 
abordados alguns circuitos integrados dedicados ao controle de comu-
tação dos elementos de potência para o condicionamento de energia.
Dispositivos de controle
É comum o emprego de alguns dispositivos específicos no disparo de tiristores, 
tais como o retificador controlado de silício (SCRs, do inglês, Silicon controlled 
rectifier) e o tríodo para corrente alternada (TRIACs, do inglês, Triode for 
alternating current). Esses dispositivos serão caracterizados neste capítulo. 
Diodo para corrente alternada
O dispositivo conhecido como diodo para corrente alternada (DIAC, do inglês, 
Diode for alternating current), é muito utilizado para o controle de TRIACs. 
Para entender melhor é possível realizar uma analogia com dois diodos em 
antiparalelo. Logo, sua simbologia e curva característica ideal podem ser 
observadas na Figura 1.
Figura 1. Símbolo DIAC e curva característica.
Fonte: Adaptada de Rashid (2014).
I
-vD
 vD v
(a) Curva característica
(b) Símbolos
Dispositivos e circuitos de controle2
O DIAC não possui terminal de controle; logo, a curva característica 
mostrada na Figura 1(a) caracteriza o comportamento do dispositivo. Quando 
a tensão aplicada entre seus terminais é menor que a tensão de ruptura por 
avalanche VBO o dispositivo permanece em corte e uma pequena corrente 
de fuga flui sobre ele. Já para o dispositivo entrar em condução, basta que a 
magnitude da tensão aplicada entre seus terminais supere a tensão de ruptura 
direta por avalanche VBO, fazendo com que a corrente cresça rapidamente. 
Quando polarizado, o DIAC apresenta uma queda de tensão ∆V entre seus 
terminais, causada pelo fluxo de corrente da carga.
Os DIACs são comumente aplicados em controle de TRIACs e SCRs, com 
a função de enviar pulsos de disparo para ambos.
Uma aplicação básica para DIACs é o controle de intensidade de luz em 
lâmpadas incandescentes, que pode ser visualizado na Figura 2.
Figura 2. Circuito de controle de intensidade de lâmpadas. 
DIAC
Carga
TRIAC
R1
R2
C1 Q2
Q1
Vrefe
3Dispositivos e circuitos de controle
Nesse circuito, inicialmente o DIAC e o TRIAC estão operando em corte 
e a rede carrega o capacitor por R1 e R2 até que a tensão de condução direta do 
DIAC seja atingida. Nesse momento o DIAC cria um caminho de descarga para 
o capacitor, que gera um pulso de corrente suficiente para disparar o TRIAC, 
sendo que o fim desse pulso leva o DIAC a corte novamente. Com o TRIAC 
ativo, a tensão na carga segue o mesmo sinal que a tensão de entrada da rede, 
e, quando esse sinal cruza o zero, o TRIAC entra em corte novamente. Isso 
se repete para o semi-ciclo negativo da tensão da rede. As formas de onda 
podem ser observadas na Figura 3.
Figura 3. Formas de onda no controle de intensidade da 
lâmpda (fazer um desenho dessa forma de onda).
VE
VC
VCarga
ωt
ωt
Os DIACs são utilizados para realizar condicionamento de energia em correntes alter-
nadas, como apresentado no exemplo anterior, mas também servem para disparo de 
SCRs que trabalham em corrente contínua. É possível encontrar algumas aplicações 
em Ahmed (2000).
Dispositivos e circuitos de controle4
Transistores de unijunção
Os transistores de unijunção (UJT, do inglês Unijunction Transistor) são 
caracterizados por apresentarem 3 terminais, onde um é denominado emissor 
e os outros dois são bases. Esse dispositivo é empregado para gerar pulsos 
em tiristores, tal como o DIAC. A Figura 4 mostra o símbolo e a curva ca-
racterística do UJT.
Figura 4. Figura (a) símbolo do UJT e figura (b) curva característica do UJT.
Fonte: Adaptada de Ahmed (2000).
(a) (b)
E
B1
B2
0
IE
VP VEB1
Quando em corte, com VEB1 = 0, o UJT apresenta resistência entre as bases. 
A relação entre as resistências de base é denominada relação de stanfoff η.
η =
RB1
RB2 + RB1
Essa relação pode ser encontrada no datasheet do componente e possui 
como valor típico 0,6.
Com o auxílio da Figura 5, vamos analisar o comportamento do UJT e 
caracterizar o seu ponto de polarização.
5Dispositivos e circuitos de controle
Figura 5. Circuito de polarização de um UJT.
Fonte: Adaptada de Ahmed (2000).
+VBB
R
B
E E
D
2
B1
B2
ponto η
R
R
B
1
Como você pode ver, para que o UJT seja acionado, o diodo deve conduzir. 
Para que isso aconteça, é necessário aplicar uma tensão no emissor maior que 
a tensão no ponto η. Sabendo que a tensão no ponto η é dada por:
VRB1 = ηVBB
Podemos definir que para ativar o UJT a seguinte condição deve ser 
satisfeita:
VE > Vd + VRB1
Quando o UJT passa para o estado ativo a resistência intrínseca da base 1 
cai para um valor próximo de zero. Já a resistência da base 2 não é afetada. Com 
isso é possível utilizar o UJT para realizar disparos em tiristores utilizando 
um circuito bastante simples conhecido por oscilador de relaxamento, o qual 
pode ser visualizado a Figura 6.
Dispositivos e circuitos de controle6
Figura 6. Circuito para disparos de tiristores com UJT (a) forma de onda (b) 
Fonte: Adaptada de Ahmed (2000).
R
R
RF
E
C
V
V
E
VB1
R1
+VS
R2
B2
V
EB1
C
B2B1
BB
OUT
+
-
+
-+
-
Tensão de disparo
Tensão de vale
Tensão no terminal
B1 (usada para
disparar tiristores)
Tensão contínua
em B1
Tensão no
terminal B2
t
t
t
0 t1 t2
VB2
VB2
VB1
VB1
VP
VE
Vv
Observando a Figura 6 verifica-se que o período de trabalho do oscilador 
é dado por:
T = τ1 + τ2
Que seriam o tempo de carga e descarga do capacitor C:
τ1 = RC
τ2 = RB1C
7Dispositivos e circuitos de controle
Nota-se que τ2 é a largura de pulso do sinal de disparo para o tiristor VB1. 
Sabemos que o RB1 decai a um valor próximo de zero quando o UJT está ativo, 
logo, é possível afirmar que o tempo de carga do capacitor é muito maior que 
o seu tempo de descarga, deixando assim o período:
T ≈ τ1 ≈ RC
O sinal de disparo para o tiristor VB1 possui o mesmo formato que a corrente 
no capacitor C. A tensão de disparo VB1 deve ser projetada com um valor 
suficientemente alto para acionar o tiristor. Além disso, para que o UJT ative 
e depois volte a ficar em corte, as seguintes relações devem ser satisfeitas:
R <
VBB – Vp
Ip
R >
VBB – Vv
Iv
As formas de onda dos UJTs comerciais podem vir com um formado diferente do 
ideal, apresentado na Figura 4. É o que pode ser visto no datasheet do componente 
2N2646. O eixo de tensão assume a posição das ordenadas e o valor de corrente é 
apresentado no eixo das abscissas. Além disso, é possível analisar as características reais 
do componente, que apresenta uma pequena corrente reversa no emissor.
Circuitos de controle
Neste item você verá alguns circuitos de controle para transistores de potência. 
Com o objetivo de garantir a operaçãode circuitos de potência, é necessário 
assegurar alguns pontos no controle das chaves eletrônicas principais. São 
listados alguns itens de importância:
 � O sinal de acionamento deve possuir transitório suficientemente curto;
Dispositivos e circuitos de controle8
 � A amplitude do sinal de acionamento deve atender às especificações 
do componente controlado;
 � Deve-se assegurar que o dispositivo não seja acionado por ruídos ou 
sinais falsos;
 � Assegurar que o circuito de potência não interfira no circuito de controle;
Além disso, os transistores de potência possuem características constru-
tivas que provocam alguns efeitos transitórios indesejados. Dessa forma, é 
importante trabalhar com circuitos que ajudem, tanto no transitório, para o 
modo ativo, quanto no modo corte.
Circuito de acionamento para transistores
Os sistemas de potência são controlados normalmente por uma forma de 
onda quadrada com modulação por largura de pulso. Portanto, a forma mais 
básica de se ver um circuito de controle para um transistor de potência pode 
ser vista na Figura 7.
Figura 7. Circuito básico de acionamento para MOSFET.
Fonte: Adaptada de Hart (2001).
Carga
R1
vi
VS
9Dispositivos e circuitos de controle
Nesse circuito é possível identificar que a entrada é uma onda quadrada Vi e a 
carga está alimentada por uma fonte Vs. O dispositivo de chaveamento principal 
apresentado acima é um MOSFET, do inglês, Metal oxide semicondutor field 
effect transistor, ou, transistor de efeito de campo metal – óxido – semicondutor. 
Dessa forma você já pode saber que é um dispositivo polarizado por tensão. 
Devido a características capacitivas na porta do MOSFET, é necessário criar 
um circuito para reduzir o seu tempo de comutação. Sabendo que o tempo 
de carga de um capacitor é dado por τ = RC, um dos circuitos mais utilizados 
para essa função é apresentado na Figura 8:
Figura 8. Circuito de acionamento rápido para MOSFET.
Fonte: Adaptada de Rashid (2014).
Sinal de comando V
R
R
R
I
VG
s
G
DD
D
D
C1
R1+
-
+
-
Além do tempo de acionamento reduzido, é importante tomar cuidado 
com a tensão de polarização necessária para o MOSFET. Essa tensão pode ser 
encontrada nos datasheets dos componentes e possui valores típicos entre 4 e 
6 V. Normalmente, para trabalhar com o dispositivo como chave, é sugerido 
pelos fabricantes que se aplique uma tensão de 10 V entre porta e fonte do 
MOSFET. No circuito apresentado, temos que a tensão entre porta e dreno 
é dada por:
VGS =
VGRG
Rs + R1 + RG
Dispositivos e circuitos de controle10
Outro ponto que deve ser levado em consideração é a despolarização do 
MOSFET. Quando o sinal de acionamento volta a ser zero (semiciclo de corte 
do MOSFET) deve haver um caminho para que o capacitor CGS descarregue, 
levando o MOSFET efetivamente ao modo de corte. Para que isto aconteça, 
é importante que o circuito de acionamento possua, além da capacidade de 
fornecer correntes elevadas, também a capacidade de drenar correntes grandes. 
Sugere-se um novo circuito de acionamento para operação do dispositivo, 
chamado de totem-pole (Figura 9).
Figura 9. Circuito de acionamento com arranjo totem-pole.
Fonte: Adaptada de Rashid (2014).
+
-
NPN
PNP
M1
C
+VCC
vin
Nesse circuito, o sinal de controle é fornecido via Amp-Op. O circuito de 
realimentação com o capacitor C serve para regular a taxa de subida e descida 
da tensão na porta.
Uma grande maioria dos CIs utilizados para controle de transistores utiliza 
essa configuração interna, sendo que, normalmente, utilizam-se MOSFETS, 
NPN e PNP no ramo de acionamento.
11Dispositivos e circuitos de controle
Alguns circuitos integrados podem ser encontrados no mercado para controle de porta 
tanto para os MOSFET quanto para os IGBTs. São listados alguns exemplos abaixo e 
indica-se que se leia os seus datasheets:
 � IR2110;
 � TK75050;
 � NCP51530.
Alguns detalhes que devem ser levados em consideração durante o uso de CIs 
para controle:
 � Deve-se verificar qual a tensão de polarização do interruptor utilizado (valores 
típicos de 10V). É importante deixar claro que a tensão VGS deve ser na ordem 
de 10 V, ou seja, a tensão de porta deve ser 10 V maior que a tensão da fonte. 
Condicionar o nível de tensão do circuito de controle de acordo com a tensão 
da fonte.
 � A energia absorvida pelo circuito de controle não deve influenciar na eficiência 
do sistema.
Também já são apresentados vários circuitos de controle de chaveamento com 
diferentes formas de se controlar as perdas durante os transitórios de comutação, 
tais como:
 � Snubbers;
 � Soft-switching:
 ■ Zero-Voltage Switching;
 ■ Zero-Current Switching.
Além disso, salienta-se a importância de utilizar circuitos que isolem o estágio de 
controle do circuito de potência. Os dispositivos que realizam esse trabalho são:
 � Optoacopladores:
 ■ TIL111;
 ■ 4N25;
 ■ MOC3021.
 � Transformadores de pulso.
1. No datasheet de um componente é possível encontrar dados sobre o 
comportamento do dispositivo quando submetido a testes. Analise a figura 
abaixo e assinale a resposta correta:
Dispositivos e circuitos de controle12
VDD
VDS
VGS
td(ON)
td
(OFF)
tON tOFF
tr tf
RG
VGS
RL
DUT
90%
90%
90%
50%50%
0
0
10% 10%
10%
50%
Pulse width
o tempo de comutação sofrerá uma redução considerável.
a) td(ON): É o tempo de resposta para o chaveamento do circuito de controle, e 
depende das capacitâncias intrínsecas entre porta e fonte.
b) Os tempos de subida tr e de descida tf são iguais e dependem apenas da 
capacitância CDS.
c) Os tempos de comutação, tON e toff, dependem diretamente das capacitâncias 
Cgs e Cgd que formam o valor Ciss dado no datasheet. Dessa forma, o circuito 
de gatilho para o MOSFET não interfere nos tempos de descida e subida da 
comutação.
d) Se o resistor RL for substituído para um valor R2 e R2 ≫ RL.
e) Nesse circuito de teste RG é utilizado para carga e descarga das capacitâncias 
Cgs e Cgd. Em uma situação hipotética onde o resistor RG estivesse sendo 
utilizado apenas para o momento tON, o tempo de tOFF aumentaria. 
2. Sobre aplicação de controle de potência em cargas C.A. em 60Hz, por ciclo 
integral e por ângulo de fase, assinale a alternativa correta:
a) Para células resistivas de aquecimento, é aplicável o controle por ciclo 
integral, visto que flutuações de tensão não são fatores que influenciam no 
calor médio emitido.
b) O controle por ângulo de fase não deve ser utilizado em sistemas de 
iluminação incandescente devido à alta flutuação de tensão causada.
c) Para motores com inércia baixa é aconselhável que se utilize controle por 
ciclo integral.
d) O controle por ângulo de fase consiste em transformar o semiciclo negativo 
em positivo e, por isso, não é indicado para motores de indução.
e) O controle por ciclo integral possui menor flutuação de fase que o controle 
por ângulo de fase.
3. Para realizar o controle de potência em uma carga resistiva de 7Ω é utilizado 
controle por ciclo integral. A alimentação é dada por uma rede de 127 VC . ARMS. 
Qual será o ciclo de trabalho e o valor de TON para fornecer 700 W para essa 
carga?
a) D = 0,3; TON = 7 ciclos.
b) D = 0,5; TON = 3 ciclos.
c) D = 0,3; TON = 3 ciclos.
d) D = 0,5; TON = 10 ciclos.
e) D = 0,5; TON = 3 ciclos.
13Dispositivos e circuitos de controle
AHMED, A. Eletrônica de potência. São Paulo: Pearson, 2000.
HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. Porto Alegre: AMGH, 
2001.
RASHID, M. H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e aplicações. 4. ed. São 
Paulo: Makron Books, 2014.
Leituras recomendadas
BALOGH, L. Design and application guide for high speed MOSFET gate drivers circuits. 
[201-?]. Disponível em: <http://www.radio-sensors.se/download/gate-driver2.pdf>. 
Acesso em: 09 ago. 2018.
BALOGH, L. Fundamentals of MOSFET and IGBT gate driver circuits. 2002. Disponível em: 
<http://www.ti.com/lit/ml/slua618/slua618.pdf>. Acesso em: 09 ago. 2018.
4. Agora, para uma carga resistiva de 
3 Ω,deseja-se controlar a potência 
utilizando controle por ângulo de 
fase. A alimentação é dada pela 
rede 220 VCARMS. Qual será o ângulo 
de disparo, considerando que a 
potência requerida na carga é de 
1 kW? Calcule também o fator 
de potência para esse sistema.
a) α = 35,23⁰; FP = 0,7.
b) α = 140,77⁰; FP = 0,751.
c) α = 35,23⁰; FP = 0,3.
d) α = 140,77⁰; FP = 0,249.
e) α = 45,4⁰; FP = 0,5.
5. Um controlador de potência por 
ângulo de fase é utilizado para 
controlar a potência de um motor, 
que será considerado aqui como 
uma carga RL, onde R = 10 Ω e L 
= 20 mH. Deseja-se manter uma 
potência média de 300 W no motor, 
qual será o ângulo de retardo para o 
circuito de controle para uma tensão 
de alimentação de 220 VCARMS?
a) α = 48,2°.
b) α = 131,8°.
c) α = 83°.
d) α = 90°.
e) α = 36,7°.
Dispositivos e circuitos de controle14
http://www.radio-sensors.se/download/gate-driver2.pdf
http://www.ti.com/lit/ml/slua618/slua618.pdf
Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.