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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL ENGENHARIA ELÉTRICA
CURSO BÁSICO DE ATPDRAW 5.7
ATP – Alternative Transient Program
Apostila preparada pelos Petianos do curso de Engenharia Elétrica/UFMT:
Adriano Aparecido de Oliveira
Antonio Carlos Curriel Manzoli
Elian João Agnoletto
José Alberto da Cruz Júnior
Leandro Leppaus Leite
Rodolfo Quadros
Orientados pela Tutora:
Dra. Walkyria Krysthie Gonçalves Martins
Sumário
4. DIODO ....................................................................................................................................... 4
4. CHAVES ..................................................................................................................................... 7
4. TIRISTORES............................................................................................................................. 15
4. DIODO →Estados ligados e desligados pelo circuito de potência
Um diodo é um dispositivo passivo, porém não linear. O diodo é composto por uma junção de
semicondutores com dopagem tipo p e n (junção pn), sendo que esta junção permite mais
facilmente a passagem de portadores de carga em um sentido que em outro. O diodo de um
modo geral é um dispositivo, que quando em polarização direta permite a passagem de
corrente, e em polarização reversa impede a passagem de corrente elétrica.
Simbologia de um diodo
Com a junção dos dois tipos de elementos, os elétrons e buracos na região de junção se
combinam, fazendo uma região de equilíbrio, pois houve uma troca de ligações. Com esta
junção, há o aparecimento de uma região de equilíbrio, que se chama região de depleção. Este
tipo de estrutura quando aplicada a uma tensão entre os terminais (neste caso uma tensão
chamada de VD) leva o elemento diodo a operar em três possibilidades:
Nenhuma polarização.
Polarização direta.
Polarização reversa.
Cada tipo de situação resulta um tipo de operação do elemento diodo e com estes tipos de
operações é possível projetar circuitos para operações específicas.
Pela figura, nota-se que para o
diodo há um valor da tensão
gerado pela região de depleção.
Este valor é de aproximadamente
0,7 volts e para o germânio é de
0,3 volts. Nota-se que para valores
abaixo de 0,7 há uma pequena
passagem de corrente e quando
este valor é ultrapassado há uma
passagem de níveis elevados de
corrente elétrica.
Aplicação em corrente alternada
Retificador monofásico de meia onda.
Para entender como um sinal senoidal pode ser convertido em corrente contínua, deve-se
estudar os circuitos mais básicos e este circuito é o circuito retificador de meia onda.
Para saber este valor, um estudo do comportamento do sinal sobre o circuito deve ser feito.
Considerando um diodo ideal, a corrente circula pelo circuito no sentido positivo. Como o
circuito se comporta como um curto no ciclo positivo.
Forma de onda na fonte, carga e diodo
Simulando no ATPdraw5.7
Formas de onda
Retificador monofásico de onda completa – circuito em ponte
Outro retificador muito usado é o retificador em ponte. Este tipo de estrutura é usado por não
necessitar de um transformador com um tap central e a tensão aplicada no diodo é apenas o
valor da fonte.
(f ile diodo_retif icador_meia.pl4; x-var t) v:FONTE
0 10 20 30 40 50[ms]
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V]
Tensão da Fonte
(f ile diodo_retif icador_meia.pl4; x-var t) v:CARGA
0 10 20 30 40 50[ms]
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V]
Tensão na Carga
Analisando o sentido positivo da fonte, os diodos 1 e 4 ficam abertos e dos diodos 2 e 3 se
comportam como um curto.
Comportamento do sentido positivo da fonte.
Comportamento do sentido negativo da fonte.
Simulando no ATPdraw5.7
Formas de onda
4. CHAVES → Ligados e desligados pelos sinais de controle Chaves controladas: TJB,
MOSFET, GTO E IGBT
As chaves mais utilizadas são:
Transistores de Junção Bipolar( TJB);
Metal Oxido Semicondutor Field Effect Transisttor (MOSFET);
Gate Turn-Off Thyristor (GTO)
Insulate Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Transistores de Junção Bipolar( TJB)
Os transistores bipolares (TJB´s) são dispositivos que possuem três terminais onde um sinal de
baixa potência aplicada entre dois terminais, permite controlar dispositivos de alta potencia.
Basicamente um transistor é a junção de uniões PN (a mesma junção dos diodos), capazes de
controlar a passagem de uma corrente. Podem ser de dois tipos, de acordo com as uniões: PNP
ou NPN.
B→ Base
C→ Coletor
E → Emissor
(f ile diodo_retif icador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0001-XX0002
0 10 20 30 40 50[ms]
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V]
Tensão da Fonte
(f ile diodo_retif icador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0003-XX0004
0 10 20 30 40 50[ms]
0
30
60
90
120
150
180
[V]
Tensão da Carga
Princípio de funcionamento
Para entender como é o comportamento do fluxo de elétrons destes dispositivos, há a
necessidade de se entender como funciona. Para um melhor entendimento se tomou o
transistor do tipo NPN.
A base é a parte que controla a passagem de
corrente; quando a base está energizada, há
uma passagem de corrente do coletor para
o emissor, quando não ha sinal na base, não
existe essa condução. A base
esquematicamente é o centro do transistor.
O coletor é uma das extremidades do
transistor: é nele que "entra" a corrente a
ser controlada ou, seja é nesta conexão onde os dispositivos a serem controlados são
acoplados. A relação existente entre o coletor e a base é um parâmetro ou propriedade do
transistor conhecido como ß (beta ou hfe) e é diferente para cada modelo do mesmo.
O emissor é outra extremidade, por onde sai a corrente que foi controlada.
Algumas características que se deve observar nos transistores:
A voltagem máxima entre base e coletor.
Potência máxima dissipável (no caso do seu uso para controle de potência)
A frequência máxima.
Para o funcionamento do transistor tipo NPN, deve-se analisar a figura abaixo.
Desta forma se for aplicado um potencial entre os terminais B e E e este
potencial for maior que 0,7 volts, esta junção BE é dita com polarização
direta. Já na outra junção se for aplicado um potencial entre BC e este
potencial for contrário á junção ou, seja para um potencial VBC menor
que zero, haverá um fluxo contrário de elétrons e este fenômeno é dito que a junção está
polarizada reversamente.
Pode-se ver claramente o sentido da corrente fluindo pelo circuito e
desta forma ter a primeira equação das correntes resultantes. A
equação(IE= IC+ IB) mostra as correntes envolvidas nos transistor NPN,
aplicando a lei das correntes em um ponto.
Na mesma Figura, se for colocado o transistor a um traçador de curva,
pode-se observar os valores das correntes e tensões em certos pontos
e além disto saber em qual região está operando o transistor. Desta forma o gráfico abaixo,
ilustra quando um transistor dito base comum, (Base aterrada ver figura) está submetido a
uma traçador de curva. Analisando a gráfico, pode-se claramente observar que duas correntes
são praticamente iguais e estas correntes estão descritas pela equação(IE= IC). Vale a pena
salientar que, a junção base emissor, se comporta como fosse um diodo com uma queda de
tensão de 0,7 volts.
A Corrente de base é a que colocar o transistor operando em uma determinada região de
operação. A partir desta corrente e o ß do transistor, se pode chegar as seguintes relações:
IC= ß * IB
IE= (ß+1) * IB
No gráfico pode-se ver que há três regiões de operação para um transistor. Estas regiões são:
Região Ativa
Região de Corte
Região de Saturação
Metal Oxido Semicondutor Field Effect Transisttor (MOSFET)
É um dispositivo controlado por tensão, com elevada impedância de entrada. O dispositivo
entra em condução com uma tensão VGS acima da tensão limite VT.
O tempo de chaveamento é muito curto, na faixa de dezenas de nanosegundos a centenas de
ns dependendo do tipo escolhido.
Regiões de operação
Dependendo da polarização dos 4 terminais do transistor, definem-se basicamente 3 regiões
de operação do mesmo: corte, linear e saturação. O transistor nMOS funciona com tensões
de porta e dreno positivas em relação à fonte, passando corrente positiva do dreno para a
fonte. O transistor pMOS por outro lado, funciona com tensões de porta e de dreno negativas
em relação à fonte, passando corrente negativa do dreno para a fonte. Apresentaremos nossa
análise, considerando transistores tipo nMOS.
Para tensão de porta menor que a tensão de limiar, VT, do transistor, a densidade de cargas no
canal é nula ou muito pequena. Desta forma, a corrente que fluirá entre dreno e fonte
também será nula ou muito pequena (desprezível em escala linear). Nestas condições, o
transistor está em região de corte, ou ainda, em região sub-limiar. Para tensão de porta acima
do valor da tensão de limiar e tensão de dreno com valor pequeno, o transistor está na região
linear ou também chamado de região triodo. Nesta região, a corrente é diretamente
proporcional às tensões de porta e de dreno. Como a densidade de cargas no canal é
diretamente proporcional à tensão VGS, a condutância, ou a corrente IDS, entre dreno e fonte,
também segue esta mesmo relação com VGS. No entanto, como mostraremos no próximo
item, a condutância de canal apresenta uma dependência com a tensão de dreno. Mais
especificamente, a condutância diminui com a tensão VDS, resultando num aumento não
linear da corrente IDS com VDS.
Agora, quando a tensão de dreno, VDS, passa de um certo valor, a corrente IDS, fica
aproximadamente constante. Esta região é a chamada de saturação. A tensão VDS a partir da
qual a corrente satura, é chamada de tensão de saturação, VDssat esta tensão apresenta uma
dependência com a tensão de porta aplicada.
Gate Turn-Off Thyristor (GTO)
O GTO, embora tenha sido criado no início da década de 60, por problemas de fraco
desempenho foi pouco utilizado. Com o avanço da tecnologia de construção de dispositivos
semicondutores, novas soluções foram encontradas para aprimorar tais componentes, que
hoje ocupam significativa faixa de aplicação, especialmente naquelas de elevada potência,
uma vez que estão disponíveis dispositivos para 5000V, 4000A.
Princípio de funcionamento
O GTO possui uma estrutura de 4 camadas, típica dos componentes da família dos tiristores.
Sua característica principal é sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de
comandos adequados no terminal de gate. O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR:
supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate é injetada, circula corrente
entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate é
suficientemente fina, deslocasse até a camada N adjacente, atravessando a barreira de
potencial e sendo atraídos pelo potencial do anodo, dando início à corrente anódica. Se esta
corrente se mantiver acima da corrente de manutenção, o dispositivo não necessita do sinal de
gate para manter-se conduzindo.
A aplicação de uma polarização reversa na junção gate-catodo pode levar ao desligamento do
GTO. Portadores livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do dispositivo são atraídos
pelo gate, fazendo com que seja possível o restabelecimento da barreira de potencial na
junção j2.
Aparentemente seria possível tal comportamento também no scr. as diferenças, no entanto,
estão no nível da construção do componente. o funcionamento como GTO depende, por
exemplo, de fatores como:
• facilidade de extração de portadores pelo terminal de gate - isto é possibilitado pelo uso de
dopantes com alta mobilidade;
• desaparecimento rápido de portadores nas camadas centrais - uso de dopante com baixo
tempo de recombinação. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tensão quando
em condução, comparado a um scr de mesmas dimensões;
• suportar tensão reversa na junção porta-catodo, sem entrar em avalanche menor dopagem
na camada de catodo;
• absorção de portadores de toda superfície condutora - região de gate e catodo muito
interdigitada, com grande área de contato.
Diferentemente do SCR, um GTO pode não ter capacidade de bloquear tensões
reversas existem 2 possibilidades de construir a região de anodo: uma delas é utilizando
apenas uma camada p+, como nos scr. neste caso o GTO apresentará uma característica lenta
de comutação, devido à maior dificuldade de extração dos portadores, mas suportará tensões
reversas na junção j2. A outra alternativa, mostrada na figura 1.10, é introduzir regiões n+ que
penetrem na região p+ do anodo, fazendo contato entre a região intermediária n- e o terminal
de anodo. Isto, virtualmente, curto-circuita a junção j1 quando o GTO é polarizado
reversamente. No entanto, torna-o muito mais rápido no desligamento (com polarização
direta). Como a junção j3 é formada por regiões muito dopadas, ela não consegue suportar
tensões reversas elevadas. Caso um GTO deste tipo deva ser utilizado em circuitos nos quais
fique sujeito a tensão reversa, ele deve ser associado em série com um diodo, o qual
bloqueará a tensão.
Insulate Gate Bipolar Transistor (IGBT)
O IGBT é um semicondutor de potência que alia as características de chaveamento
dos transistores bipolares com a alta impedância dos MOSFETs apresentando baixa tensão de
saturação e alta capacidade de corrente. O IGBT destaca-se por possuir alta eficiência e rápido
chaveamento.
O IGBT possui algumas vantagens e desvantagens da combinação MOSFET e TJB.
Possui elevada impedância de entrada, como o MOSFET.
Potências mais elevadas disponíveis no mercado, quase as encontradas com o TJB.
Admite tensão negativa, como o GTO.
Frequência de chaveamento menor do que o MOSFET, ordem de 1 s para um
dispositivo de 1200V e 100A.
O IGBT é frequentemente utilizado como uma chave, alternando os estados de condução
(On state) e corte (Off-state) os quais são controlados pela tensão de porta, assim como em
um MOSFET. Se aplicarmos uma pequena tensão de porta positiva em relação ao emissor, a
junção J1 ficará reversamente polarizada e nenhuma corrente irá circular através dessa junção.
No entanto, a aplicação de uma tensão positiva no terminal de porta fará com que se forme
um campo elétrico na região de óxido de silício responsável pela repulsão das lacunas
pertencentes ao substrato tipo P e a atração de elétrons livres desse mesmo substrato para a
região imediatamente abaixo da porta.
Enquanto não houver condução de corrente na região abaixo dos terminais de porta, não
haverá condução de corrente entre o emissor e o coletor porque a junção J2 estará
reversamente polarizada, bloqueando a corrente. A única corrente que poderá fluir entre o
coletor e o emissor será a corrente de escape (leakage).
Uma característica desta região de operação é a tensão direta de breakdown,
determinada pela tensão breakdown da junção J2. Este é um fator extremamente importante,
em particular para dispositivos de potência onde grandes tensões e correntes estão
envolvidas. A tensão de breakdown da junção J2 é dependente da porção mais fracamente
dopada da junção, isto é, a camada N- . Isto s deve ao fato de que a camada mais fracamente
dopada resulta em uma região de depleção desta junção mais larga. Uma região de depleção
mais larga implica em um valor máximo de campo elétrico na região de depleção que o
dispositivo poderá suportar sem entrar em breakdown mais baixo, o que implica no fato de
que o dispositivo poderá suportar altas tensões na região de corte. Esta é a razão pela qual a
região N- da região de arrastamento é mais levemente dopada que a região tipo P da região de
corpo (Body). Os dispositivos práticos geralmente são projetados para possuírem uma tensão
de breakdown entre 600 V e 1200 V.
Ao aplicarmos uma tensão entre porta e emissor do dispositivo, fazendo a porta possuir uma
tensão positiva com relação ao emissor, uma corrente de pequena intensidade e de curta
duração circula pela porta de forma a carregar a capacitância parasita que existe entre a porta
e a porção semicondutora logo abaixo do terminal de porta. Como já foi dito, a tensão faz com
que um campo elétrico apareça entre o terminal de porta e a porção de semicondutor p logo
abaixo da porta. Este campo elétrico atrai alguns elétrons livres da própria região tipo p e
alguns elétrons livres das porções n+ localizadas dentro desse substrato p, em virtude do fato
de essa região estar fortemente dopada. Ao aumentarmos a tensão entre a porta e o emissor,
conseqüentemente, aumentaremos esse campo elétrico e mais portadores negativos serão
atraídos para a região imediatamente abaixo do terminal de porta.
Quando a tensão entre a porta e o emissor atinge um determinado valor limite – que depende
do dispositivo – conhecida como tensão de limiar (threshold voltage), simbolizada por Vth, a
quantidade de elétrons livres atraídos pelo campo elétrico é tamanha que a região
imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo p para o tipo n, fenômeno
conhecido como inversão – sendo a camada que sofreu o processo recebe o nome de camada
de inversão, mais comumente conhecida como canal.
Com a formação deste canal, temos uma ligação do tipo n entre a pequena região n+ e a
região de arrastamento, tal canal permite a condução de corrente através de uma pequena
região na junção J1 que estava reversamente polarizada antes de a tensão entre porta e
emissor atingir o valor limiar. Dessa forma, elétrons serão transportados através deste canal
até a região de arrastamento onde irão fazer parte da corrente que circula pela junção J3 que
está diretamente polarizada, fazendo com que o “diodo” formado pela junção J3 entre em
condução. Com este efeito, temos que a camada p+ conectada ao coletor injeta lacunas
positivamente carregadas na região de arrastamento n-.
Essa injeção de lacunas da região de arrastamento causa a modulação da condutividade da
região de arrastamento onde as densidades de ambos os portadores, elétrons livres e lacunas,
atingem valores muito mais elevados que àquela que a região n- geralmente apresenta. É esta
modulação de condutividade que dá ao IGBT sua baixa tensão de condução entre os terminais
de coletor e emissor do IGBT por causa da reduzida resistência da região de arrastamento –
isto se deve ao fato de que a condutividade de um material semicondutor é proporcional à
densidade de portadores deste material. Assim, o IGBT poderá drenar correntes elevadas com
poucas perdas de potência, assim como o que ocorre em um transistor bipolar.
Algumas das lacunas injetadas na região n- são recombinadas nesta mesma região com os
elétrons livres desta camada. No entanto, a maior parte das lacunas que alcançam a região não
se recombinam e alcançam a junção J2 que está reversamente polarizada. Assim, as lacunas
encontram um campo elétrico favorável ao seu movimento, justamente por causa da
polarização reversa da junção. Com este campo elétrico da junção J2, as lacunas serão
arrastadas por meio da corrente de difusão pela região de arrastamento atravessando a junção
J2 até serem coletadas pela região do tipo p onde está conectado o terminal de coletor.
Simulando no ATPdraw5.7
Obs: os parâmetros das chaves acima são iguais na chave 01 e 04 bem como as chaves 02 e 03
recebem parâmetros idênticos.
Inversor Monofásico
Formas de onda
Desafio: Inversor Trifásico
(f ile chave_inversor_monofasico.pl4; x-var t) v:XX0003-XX0004
0 10 20 30 40 50[ms]
0
40
80
120
160
200
[V]
Tensão da Fonte
(f ile chave_inversor_monofasico.pl4; x-var t) v:XX0001-XX0002
0 10 20 30 40 50[ms]
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V]
Tensão da Carga
4. TIRISTORES → Estado ligado pelo sinal de controle, e desligado pelo circuito de
potência;
A nomenclatura Tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores com
multicamadas, que operam em regime de chaveamento, tendo em comum uma estrutura de
no mínimo quatro camadas semicondutoras numa sequência P-N-P-N (três junções
semicondutoras), apresentando um comportamento funcional. Os tiristores permitem por
meio da adequada ativação do terminal de controle, o chaveamento do estado de
bloqueio para estado de condução e do estado de condução para estado de bloqueio sendo
feito pelo circuito de potência.
Silicon Controlled Rectifier (SCR)
a) Estrutura do SCR
b) Características do SCR
Principais parâmetros do SCR
VFOM →Máxima tensão direta
VROM →Máxima tensão reversa
IFAV →Máxima corrente média
IH →Corrente de manutenção
IGT →Corrente de gatilho necessária para disparar o SCR
(f ile inversor_trifasico.pl4; x-var t) v:XX0002-XX0011
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]
20
40
60
80
100
120
140
160
180
[V]
Tensão no Capacitor
(f ile inversor_trifasico.pl4; x-var t) v:X0001A-X0001B
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
[V]
Tensão Vab na Carga
VGT → Tensão entre G-K verificada para uma dada GTI
trr→ Tempo de recuperação do SCR
dV/dt → Taxa má’xima de variação da tensão em relação ao tempo, sem que o SCR comute do
estado de bloqueio para o estado de condução.
Triode AC (TRIAC) É um tiristor bidirecional, diferindo do SCR que é unidirecional. O triac é constituído de 6 camadas NPNPN. Pode-se dizer que o Triac é composto de dois SCR´s em forma paralela inversa, possuindo uma porta comum.
a) Estrutura do TRIAC
b) Características do TRIAC
Principais parâmetros do TRIAC
VDROM → Tensão de pico repetitivo no estado de bloqueio
ITRMS → Corrente máxima eficaz no estado de condução
IGT → Corrente de gatilho necessária para disparar o Triac
VGT →Tensão entre G-K verificada para uma dada GTI
dV/dt →Taxa máxima de variação da tensão em relação ao tempo, sem que o Triac comute do
estado de bloqueio para o estado de condução.
IH →Corrente de manutenção
Retificador Onda Completa com Tiristores
Colocar CLOSED = 0.000001 no SCR 1 e no SCR 2. Resistor de 10R.
(file retificador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0008-XX0007
0 10 20 30 40 50[ms]
0
20
40
60
80
100
[V]
Tensão no resistor (carga)
Retificador com tiristor com ângulo maior que zero (=90°)
(file retificador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0008-XX0007
0 10 20 30 40 50[ms]
0
20
40
60
80
100
[V]
Forma de Onda na Carga