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Tecnologia em Automação Industrial
ELETRÔNICA IIAula 21
Tiristores
Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
https://[email protected]
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
.. Solenóides
.. motores
Circuitos Elétricos e Eletrônicos
Elementos ativos:
. Válvulas
. Semicondutores.. Diodos.. Transistores.. Tiristores
Elétrica. Transformadores. Motores. Geração/Transmissão/Distribuição. Instalações Residenciais/Prediais/Industriais. Filtros Passivos
Eletrônica Analógica:. Retificadores/ Ceifadores/ Grampeadores/ Multiplicadores de tensão
. Fontes de alimentação(reguladores de tensão)
. Amplificadores
. Filtros Ativos
. Geradores de sinais: Osciladores/ Multivibradores
. Circuitos de Instrumentação
. Circuitos integrados
Elementos Passivos:
. Resistores
. Capacitores
. Indutores Eletrônica Digital:. Portas digitais. Circuitos combinacionais.. Codificadores e decodificadores.. Multiplexador e demultiplexador.. Somador e subtrator
. Circuitos sequenciais.. Flip-flop RS, JK, D e T
. Registradores
. Contadores síncronos e assíncronos
. Memórias
. Conversores A/D e D/A
Eletrônica de Potência:. Classes de amplificadores: A, B, AB, C,etc. Reguladores.. Regulador CA ou controlador CA (CA p/CA).. Regulador CC: chopper ou recortador (CC p/CC)
. Conversores de potência.. Retificadores de potência (CA p/ CC).. Inversores de potência (CC p/ CA).. Inversores de frequência.. Conversores de fator de potência: compensador
. Acionamento de máquinas elétricas
.. Trimpots
.. Potenciômetros
.. Trimmer
.. variáveis
Circuitos Integrados:. Amp-op
. Portas lógicas. etc
.. BJT
.. JFET
.. MOSFET
.. IGBT
.. UJT
.. de junção
.. Zener
.. Schottky
.. Emissor de luz
.. Fotodiodos
.. SCR
.. Diac/Triac
.. GTO
.. SCS
APLICAÇÕES:TEORIAS:. Leis básicas.. Lei de Ohm.. Lei das tensões de Kirchhoff.. Lei das correntes de Kirchhoff
. Métodos de análise.. Análise nodal.. Análise de malhas.. Correntes fictícias de Maxwell
. Teoremas de rede.. Circuitos lineares.. Princípio da Superposição.. Teoremas de Thévenin.. Teoremas de Norton.. Transferência máxima de potência
. Bipolos, quadripolos, geradores, receptores
. Resposta em frequência
. Transformada de Laplace
. Análise de Fourier
. Processamento de sinais (analógico e digitais)
. Automação e ControleProf. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
. Circuitos em regime permanente CC
. Circuitos em regime permanente CA.. Excitação senoidal, fasores
.. Circuitos de 1ª e 2ª ordem.. Circuitos RL, RC, RLC.. Filtros passivos
. Circuitos monofásicos e polifásicos.. fator de potência.. Ligações estrela e triângulo
. Análise em regime transitório.. Resposta ao degrau e ao impulso
. Análise em regime permanente.. Valor médio e eficaz.. Energia, potência
. Magnetismo e eletromagnetismo.. Transformadores
Fontes de alimentação:. Corrente contínua/alternada. dependente/independente
Transmissão de dados:. Sistemas analógicos. Sistemas digitais
Elétrica
Eletrônica Digital
Eletrônica Analógica
Eletrônica de Potência
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES
• Diodos: • 2 camadas PN
• chaveamento
• Junção PN, zener, Schottky, diodo túnel, emissor de luz, fotodiodo, varicap
• Transistores: • 3 camadas PNP ou NPN
• Amplificação e chaveamento de potência
• BJT, FET, MOSFET, IGBT, UJT
• Tiristores: • 4 camadas PNPN
• Chaveamento de potência
• SCR, GTO, triac, diac, SCS, MCTMOS
• Vantagem: converter e controlar grandes quantidades de potências em sistemas AC ou DC, utilizando apenas uma pequena potência para o controle.
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser
controlada pela variação da tensão de alimentação (transformador variável)
ou pela inserção de um regulador (chave).
• Eletrônica de Potência trata da aplicação da eletrônica dos semicondutores
(dispositivos de estado sólido) para o controle e conversão da energia
elétrica em níveis altos de potência aplicados à indústria.
http://slideplayer.com.br/slide/10522652/
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Potência: cuida de equipamentos de potência rotativos e estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica
• Eletrônica: trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido para o processamento de sinais que permitam alcançar os objetivos de controle desejados.
• Controle: trata das características dinâmicas e de regime permanente dos sistemas de malha fechada.
http://slideplayer.com.br/slide/10522652/
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Objetivos Principais:• Controle e conversão de energia com alta eficiência e qualidade.
• Postulado básico: • o dispositivo básico na construção dos circuitos conversores de potência (conversores
estáticos) deve ser um elemento que se comporte como uma chave interruptora.
• Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves têm a vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da eficiência e da utilização para o controle automático da potência.
• Parâmetros controlados: tensão, corrente e frequência
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Aplicações:• Transmissão de energia a grandes distâncias em DC.
• Acionamentos elétricos
• Tração elétrica
• Controle de iluminação
• Fontes ininterruptas de energia
• Fontes chaveadas
• Robótica
• Automação predial e industrial
• Controle de temperatura
• Utilidades domésticas
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
DISPOSITIVOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Regulador: permite o controle intermediário de CA ou CC• Regulador CA ou controlador CA: converte CA para CA sem alteração da frequência
• Regulador CC (Chopper ou recortador): converte CC para CC
• Retificador: converte potência CA para CC
• Inversor: converte potência CC para CA
• Conversor: termo geral• Conversor CA/CC e CC/CA: conversor que pode operar tanto como retificador como
inversor.
• Conversor de frequência: conversor em que a frequência de saída é geralmente diferente da frequência CA de entrada
• Conversor de fator de potência (compensador estático): conversor utilizado para controlar o fator de potência de um sistema CA.
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA
• Chave eletrônica: Dispositivo elétrico de controle de fluxo de potência.
• Chave ideal: • não há perda de potência.
• Queda de tensão nula, quando fechada (V=0, P=V.I=0)
• Corrente nula, quando aberta (I=0, P=V.I=0)
• Abre e fecha instantaneamente (Δt=0)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA
• Principais chaves semicondutoras:• Diodo
• BJT• MOSFET• IGBT
• SCR• TRIAC• GTO
• Principais elementos de disparo:• UJT
• DIAC
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TRANSISTORES DE POTÊNCIA
• Apresentam características de chaveamento controlada.
• Transistores utilizados como elementos de chaveamento, operam na região de saturação, apresentando uma baixa queda de tensão de condução (VCE=0)
• A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior do que a dos tiristores, sendo largamente utilizados em conversores CC/CC e CC/CA, apresentando internamente, um diodo conectado em paralelo (manter um caminho para a corrente).
• As especificações de tensão e corrente ainda são menores que a dos tiristores, sendo então aplicados em baixa e média potência.
• O chaveamento de um transistor é mais simples que o chaveamento de um tiristor por comutação forçada.
• Os transistores de potência podem ser divididos em:• BJT (Transistores de junção bipolar)• MOSFET (Metal-oxide-semicondutor-field-effect-transistor• SIT (static induction transistor)• IGBT (insulated-gate-bipolar-transistor)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
IGBT
• Transistor Bipolar de Porta Isolada
• (Insulated Gate Bipolar Transistor
• Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs
• Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento.
• Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs
• Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
UJT• Transistor de Unijunção (Unijunction Transistors) ou transistor
de dupla base
• Dispositivo semicondutor com três terminais (base 1, base 2, emissor) e uma junção
• Construído a partir de uma barra de material N na qual existe uma ilha de material P.
• Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs
• Uma das principais aplicações do UJT é como oscilador de relaxação operando na região de resistência negativa.• Os osciladores de relaxamento são usados para gerar os pulsos de
acionamento para dispositivos maiores (gerar o disparo) como SCRse TRIACs.
• Após ter disparado, o UJT só volta a cortar novamente quando a tensão de emissor não for mais suficiente para manter a polarização direta da junção (Tensão de vale).
• O UJT mais usado comercialmente é o 2N2646
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT• O UJT tem dois parâmetros importantes:
• Tensão de disparo (VP) • Valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminhão entre o emissor e a base 1 • início do disparo do UJT
• Tensão de Vale (VV)• Valor de tensão que, após a entrada em condução bloqueia o caminho• Fim do disparo do UJT.
• Considerar inicialmente o capacitor descarregado. Ao ligar a fonte VBB ao circuito, o capacitor começa a carregar exponencialmente.
• Enquanto o valor da tensão do capacitor não alcançar o valor do parâmetro VP, o UJT estará bloqueado, isto é, passará uma pequena corrente pelo caminho entre os terminais de base. Esta corrente produz uma pequena queda de tensão no resistor RB1.
• No momento que a tensão do capacitor atinge o parâmetro VP, o UJT começará a conduzir através do caminho emissor e base1.
• Neste instante inicial de condução, a resistência interna deste caminho é baixíssima, proporcionando a elevação da corrente e, ao mesmo tempo, a descarga do capacitor. É o que chamamos de resistência negativa.
• Este surto de corrente inicial é transitório, pois a resistência do caminho E=B1 torna-se gradativamente maior até o ponto em que a tensão do capacitor cai até o parâmetro VV. Deste modo, o UJT sai de condução proporcionando uma nova recarga do capacitor.
Fonte: Apostila de eletrônica de potência, Jefferson Pereira da Silva, IFRN
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
TIRISTORES
• O nome tiristor se aplica a qualquer chave de estado sólido construída a partir de quatro camadas alternadas PNPN, podendo ter dois, três ou quatro terminais e conduzir em uma ou duas direções.
• São chaves eletrônicas utilizadas em alguns circuitos nos quais se necessita controlar o estado ligado.
• São capazes de conduzir correntes de valores elevados e de bloquear valores altos de tensão para aplicações com valores altos de potência, mas as frequências de chaveamento não podem ser tão altas.
• estado sólido: não possuem elementos mecânicos ou qualquer tipo de peça móvel.
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
DIODO SHOCKLEY• Ou diodo de quatro camadas unilateral
• Dispositivo que origina toda a família de tiristores.
• Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução.
• Com polarização reversa se comporta como um diodo comum, com altíssima resistência.
• Com polarização direta, o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que a tensão de breakover (VBO)
• Quando a tensão no dispositivo atingir esse valor, o dispositivo conduz bruscamente (disparo).
• Após disparar, a tensão cai para aproximadamente 1V e voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção, VH(IH).
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SCR• Retificador Controlado de Silício (Silicon Controlled
Rectifier)
• É basicamente o diodo de quatro camadas com o terceiro terminal de controle (porta) para injeção de corrente e controlar o disparo.
• Para o SCR começar a conduzir é preciso que se aplique uma corrente no gatilho, quando a tensão anodo-catodo for positiva. • pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto
espaço de tempo.• Só pode disparar com o anodo positivo em relação ao catodo e
com o gate positivo em relação ao catodo.
• Uma vez estabelecida a condução, o sinal no gatilho não é mais necessário para manter a corrente no anodo.
• O SCR continuará a conduzir enquanto a corrente no anodo permanecer positiva e acima de um valor mínimo (nível de manutenção, IH).
• Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução após disparo.
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DIODO SCR
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SCR
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GTO
• Tiristor de desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor)
• entra em condução com uma corrente no gatilho de curta duração se a tensão do anodo-catodo for positiva.
• Diferente do SCR, o GTO pode ser desligado com uma corrente negativa no gatilho
• Adequado para aplicações em que ambos os controles de ligamento e de desligamento de uma chave são necessários.
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
DIAC• Diodo de quatro camadas bilateral (diode for Alternating Current).
• É um gatilho (chave) bidirecional, disparado por tensão.• Normalmente a tensão de disparo ocorre entre 20 e 40V.
• É um diodo que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida
• Dispositivo de quatro camadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar o valor de breakover (VBO), voltando a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção (VH (IH)).
• O componente não tem polaridade
• Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão
• Aplicação: Útil para aplicações AC, proteção de circuitos e disparo de TRIACs.
• O DIAC é feito para operar basicamente em conjunto com o TRIAC.
• Diac comerciais: BR100, DB2
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
TRIAC• Usado quando é necessário controlar a potência em um circuito AC, com
corrente nos dois sentidos.
• Equivalente a dois SCRs em antiparalelo, ou um DIAC com o terceiro terminal de controle, o gate.• Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser regulada seja
maior do que os valores nominais dos dispositivos.
• É usado basicamente como chave de estado sólido em CA, substituindo em alguns casos e com vantagens as chaves mecânicas (relés, contactores etc).• Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz ou 50Hz.
• Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo• Tem quatro possibilidades de ser disparado.
• Máxima tensão que pode ser aplicada no dispositivo com a porta aberta (IG=0) sem que haja condução.
• Mais econômico e fácil de controlar.
• Limitações: baixa velocidade, que restringe a frequência operacional.
• Triac comercial: TIC226
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TRIAC
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Controle de disparo com UJT
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Controle de disparo com DIAC• A rede R1, R2 e C1 defasa a tensão sobre C1.
• O capacitor se carrega até atingir a tensão de disparo do DIAC.
• O DIAC entra em condução e cria um caminho de baixa impedância para o capacitor descarregar-se sobre o gatilho do TRIAC.
• A corrente de descarga do capacitor é suficiente elevada para conseguir disparar TRIACs de baixa potência, mesmo com valores relativamente baixos de capacitância.
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA• Limites de operação de
componentes semicondutores de potência
• Distribuição dos componentes semicondutores, indicando limites aproximados para valores de tensão de bloqueio, corrente de condução e frequência de comutação.
•
• (2004)
Fonte: apostila Eletrônica de Potência, J.A. Pomilio
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (diodos)
Diodo de junção PN
Diodo Zener
Diodo Schottky
• Trabalha com baixas tensões e em alta frequência• Pode desligar muito mais rapidamente do que o de junção PN• Frequências de chaveamento muito maiores• Emprego:
• retificadores em aplicações de baixa tensão, em que a eficiência de conversão é o ponto importante
• Fontes de alimentação chaveadas que operam em frequências iguais ou maiores do que 20 Hz.
Diodo túnelou diodo Esaki
Extremamente rápido, opera na casa dos GHz
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores)
BJTTransistor Bipolar de
Junção(Bipolar Junction
Transistor)
• Controlado por corrente• Velocidade de chaveamento mais lenta que o MOSFET• Em aplicações de alta tensão, um BJT é preferível, mesmo que
às custas de perdas de desempenho em alta frequência
JFET
• Controlado por tensão
MOSFETTransistor de Efeito de
Campo Metal-Óxido-Semicondutor(Metal-Oxide-
Semiconductor Field Effect Transistor)
• Controlado por tensão• Transistor de chaveamento rápido• Preferíveis em aplicações com altas frequências• Alta impedância de entrada• Apropriado para baixas potências (até alguns quilowatts)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores)
IGBTTransistor Bipolar de Porta
Isolada(Insulated Gate Bipolar
Transistor
• Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs
• Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento.
• Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs• Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim
UJTTransistor de Unijunção
(Unijunction Transistors)
• Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs
• Dispositivo ideal para utilização em osciladores de relaxamento, usados para disparo de um SCR
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores)
SCRRetificador Controlado
de Silício(Silicon Controlled
Rectifier)
• Para passar o tiristor ao estado ligado é preciso que a porta receba um pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto espaço de tempo
• Permanece no estado ligado enquanto a corrente ficar acima de um certo valor
• Chaveamento
GTOTiristor de
desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor)
• Passa para o estado ligado com um sinal positivo na porta• Passa para o estado desligado com uma corrente de porta
negativa• Qualidades melhoradas de chaveamento.• Tempo de desligamento muito menor que o SCR• Valores nominais de tensão e corrente menores que o SCR• Queda de tensão mais alta no estado ligado• Uso: acionamento de motores, fontes de alimentação de
funcionamento contínuo, choppers e inversores.
DIACChave semicondutora
de três camadas e dois terminais
• A única maneira de o dispositivo passar para o estado ligado é excedendo a tensão de disparo
• Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão
• Útil para aplicações AC
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Triac
• Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo
• Mais econômico e fácil de controlar• Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser
regulada seja maior do que os valores nominais dos dispositivos• Limitações: baixa velocidade, que restringe a freq. operacional• Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz
SCSChave controladora de
Silício
• Pode passar para o estado ligado com aplicação de pulso positivo na porta do cátodo ou com um pulso negativo na porta do ânodo.
• Se estiver ligado, passará para desligado com um pulso positivo na porta do ânodo ou um pulso negativo na porta do cátodo
MCTTiristor Controlado
MOS(MOS Controlled
Thyristor)
• MOS+SCR• Queda de tensão baixa no estado ligado e baixo tempo de
desligamento• Exige corrente de porta menor para o desligamento do que o
GTO• Desvantagem: baixa capacidade de bloqueio de tensão inversa
Diodo Shocley
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores)