apostila_eletrônica potência parte1

8/18/2019 Apostila_Eletrônica Potência Parte1

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UNIVERSIDADE DE PERNAMBUCOESCOLA POLITÉCNIA DE PERNAMBUCO

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

PROFº. ANTONIO SAMUEL NETO


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Eletrônica de Potência

Profº. Antonio Samuel Neto

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ÍNDICEINTRODUÇÃO .........................................................................................................................................4

UM REOSTATO COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE................................................................5

UMA CHAVE COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE ....................................................................5CHAVES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA...............................................................................6APLICAÇÕES.......................................................................................................................................6CLASSIFICAÇÃO ................................................................................................................................7

PARÂMETROS PRINCIPAIS DE UM SEMICONDUTOR USADO.....................................................9COMO CHAVE.........................................................................................................................................9

A CHAVE IDEAL E A CHAVE REAL ...............................................................................................9CLASSIFICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA.........................11CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA............................11DIODOS ..............................................................................................................................................15DIODOS DE USO GERAL.................................................................................................................15

DIODOS RÁPIDOS ............................................................................................................................16DIODOS ULTRA-RÁPIDOS..............................................................................................................16DIODOS SCHOTTKY ........................................................................................................................16CIRCUITO EQUIVALENTE..............................................................................................................17APLICAÇÃO DO DIODO..................................................................................................................18EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................18

RESUMO.........................................................................................................................................24TRANSISTOR BIPOLAR...................................................................................................................25

TENSÕES E CORRENTES NOS TRANSISTORES NPN E PNP ................................................26CONFIGURAÇÕES BÁSICAS ......................................................................................................28POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES.........................................................................................30

PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE)...................................................................................30CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES...................................................................................33CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS.................................................................................................34EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ........................................................................................................34RESUMO.........................................................................................................................................37

TIRISTORES.......................................................................................................................................38SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ..............................................................39REGIÕES DE OPERAÇÃO............................................................................................................41CARACTERÍSTICA TENSÃO - CORRENTE ..............................................................................44MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA ENTREGUE À CARGA .....................................44Disparo por CC - Carga CA.............................................................................................................45

Disparo CA - Carga CA - Retificador Controlado Meia Onda.......................................................46EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................48RESUMO.........................................................................................................................................54MOSFETS (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FET) TIPO DEPLEÇÃO.............................58MOSFET TIPO CRESCIMENTO...................................................................................................59EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ........................................................................................................61

GTO .....................................................................................................................................................68IGBT ....................................................................................................................................................70CCOOMMPPAAR R AAÇÇÃÃOO EE N NTTR R EE CCHHAAVVEESS CCOO N NTTR R OOLLAADDAASS....................................................................73

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS ................................................................................73COMBINAÇÃO TÍPICA DE SEMICONDUTORES.....................................................................73


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EXERCÍCIOS RESOLVIDOS ............................................................................................................74


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Eletrônica de Potência trata do processamento de energia. Sendo a eficiência uma dascaracterísticas importante nesse processamento. A diferença entre a energia que entra no sistema e aque sai geralmente é transformada em calor. Mesmo que, o custo da energia desperdiçada gere preocupação, a remoção dessa energia cria transtornos tanto durante o projeto quanto na sua utilização.Atualmente conversores estáticos utilizados para transformar a energia elétrica de uma forma paraoutra, apresentam eficiência entre 85% e 99% dependendo da aplicação da faixa de potência. Essaeficiência elevada é obtida utilizando semicondutores de potência, que apresentam uma queda detensão próxima de zero quando em condução, e uma corrente praticamente nula quando em bloqueado.

Static Converter Definition by IEEE Std. 100-1996:

A unit that employs static rectifier devices such semiconductor

rectifiers or thyristors, transistors, electron tubes, or magneticamplifiers to change ac power to dc power and vice versa.

A Eletrônica de Potência trata da aplicação de dispositivos semicondutores de potência, comotransistores e tiristores, na conversão e no controle de energia elétrica em níveis altos de potência

Essa conversão normalmente é de AC para DC por conta do sistema elétrico ser AC e grande parte do controle ser feito em DC. Porém, a conversão DC para AC também é viável. Os parâmetroscontrolados são tensão, corrente e frequência.

A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pelavariação da tensão de alimentação (transformador variável) ou pela inserção de um regulador (reostato,reator variável ou uma chave). As principais características dos dispositivos semicondutores, as quaissão responsáveis pela sua grande gama de aplicação e crescente interesse, são descritas a seguir


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UM REOSTATO COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE

A figura a seguir mostra um exemplo de um reostato controlando uma carga. Quando R 1 temzero de resistência, a carga recebe toda a potência. Quando R 1 é máxima, a potência entregue à carga é praticamente igual a zero.

Nas aplicações em que a potência a ser controlada é grande, a eficiência de conversão passa aser importante. Uma eficiência baixa significa grandes perdas, uma preocupação de caráter econômico,além de gerar calor, que terá de ser removido do sistema para evitar superaquecimento.

Determinar a potência entregue a carga, a potência dissipada no reostato, a potência

fornecida pela fonte e a eficiência.

Pelo exemplo acima, fica claro que quanto maior o valor de R 1 menor é a eficiência datransferência de potência da fonte.

UMA CHAVE COMO DISPOSITIVO DE CONTROLE

Na figura a seguir, uma chave é usada para o controle da carga. Quando a chave está ligada, ummáximo de potência é transferido para a carga. A perda de potência na chave é nula, uma vez que nãohá tensão sobre ela. Quando a chave está desligada, não existe potência entregue à carga. Da mesmamaneira, nesse caso não há perda de potência na chave, uma vez que não passa nenhuma corrente porela. A eficiência é de 100%, porque a chave não consome energia em qualquer um dos dois casos.


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O problema existente nesse método é que, ao contrário do reostato, a chave não pode sercolocada em posições intermediárias, de modo que proporcione variação de potência. No entanto, podemos criar o mesmo efeito abrindo e fechando a chave periodicamente. Os transistores e os SCRs

usados como chaves podem abrir e fechar de maneira automática centenas de vezes por segundo. Se precisarmos de mais potência, a chave eletrônica deve ficar ligada por períodos maiores e desligadasdurante a menor parte do tempo. Do contrário, basta deixar a chave desligada por mais tempo.

Exemplo: Uma fonte DC esta fornecendo energia para uma carga resistiva de 10W através deuma chave. Determine a potência fornecida à carga, a perda de potência na chave e a potência totalfornecida pela fonte se a chave estiver:

a) fechada

b) aberta

c) fechada 50% do tempo

d) aberta 50% do tempo

CHAVES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA

Tipos de chaves semicondutoes:

· Diodos

· Transistores Bipolares de Junção – BJT.

· Transistores de Efeito de Campo Metal-Óxido-Semicondutor – MOSFETS.

· Transistores Bipolares de Porta Isolada – IGBT.

· Retificadores Controlados de Silício – SCR.

· Triacs· Tiristores de desligamentos por porta – GTO

Para todos os tipos de chaves apresentadas acima, verifica-se as seguintes condições desejáveisde operação:

· Liga e desliga instantaneamente.

· Quando esta ligada, a queda de tensão nela é zero.

· Quando esta desligada, a corrente que passa por ela é zero.· Não dissipa potência.

· Quando ligada, que possa suportar altas correntes.

· Quando desligada, que possa suportar altas tensões.

· Que utilize pouca potência para o controle da operação.· Que seja altamente confiável.

· Que seja pequena e leve.

· Que tenha baixo custo.

· Que não requeira manutenção.

APLICAÇÕES

· Fontes CC chaveadas e sistemas de energia ininterrupta

Fontes para computadores e equipamentos de telecomunicações.


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· Conservação da energia

Operação de lâmpadas fluorescentes em alta freqüência.

Acionamento de bombas e compressores com velocidade controlada.· Controle de processos e automação industrial

Acionamento com velocidade controlada em controle de processos.

· Transporte

Carros elétricos.

· Aplicações em eletrotécnica

Equipamentos para soldagem, eletrólise e aquecimento indutivo.

· Aplicações relacionadas ao suprimento

Transmissão de potência em alta tensão CC.

Sistemas de geração solares e eólicos.

CLASSIFICAÇÃO

Processadores

Saída para a carga:

· CC

Amplitude constante.

Amplitude variável.

· CA

Freqüência constante e amplitude variável.

Freqüência e amplitude variáveis.

Conversores


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De acordo com a forma dos dois lados:

· CA-CC

· CC-CA· CC-CC

· CA-CA

De acordo com o modo de chaveamento:

· Conversores com comutação natural

Tensões de suprimento presentes em um lado do conversor facilitam o bloqueio dos dispositivos

semicondutores de potência.

· Conversores com comutação forçada

Chaves controladas no conversor são ligadas e desligadas em freqüências elevadas quando comparadas

à freqüência da rede.

· Conversores ressonantes

Chaves controladas ligam e/ou desligam com tensão nula e/ou corrente nula.


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A CHAVE IDEAL E A CHAVE REAL

Uma chave ideal apresenta dois estados: aberta e fechada.

Quando aberta sua resistência é infinita, não permitindo a passagem de corrente. Para qualquertensão aplicada, ela mantém essa característica. Quando fechada sua resistência é nula e, portanto, nãohá tensão sobre ela. Ela mantém essa característica para qualquer corrente que passe por ela. O tempoque uma chave ideal leva para mudar de estado é nulo, isto é, ela abre ou fecha instantaneamente.

A chave real pode diferir bastante deste comportamento. Primeiramente, ela não apresenta umaresistência infinita quando aberta, podendo permitir a passagem de uma pequena corrente denominadade corrente de fuga. Além disso, ela apresenta uma alta resistência apenas até um certo valor de tensão,

a partir do qual rompe-se a isolação. Esta tensão é chamada de tensão máxima. Para os semicondutoresgeralmente ela é chamada de tensão de ruptura.

Quando fechada, a chave real não é um curto, mas apresenta uma pequena resistência, chamadade resistência de condução (Ron). Esta resistência é a responsável pela queda de tensão em conduçãoda chave. Além disso, existe uma máxima corrente que pode passar pela chave, a partir da qual eladanifica-se.

Finalmente, a mudança de estado de uma chave real não é instantânea, podendo demorar denanosegundos a milisegundos. O tempo que ela leva para se abrir é chamado de trr (tempo derecuperação reversa) e, em geral, é o mais lento da chave. Genericamente, o tempo que a chave leva para mudar de estado é chamado de tempo de chaveamento.

Quando comparada com uma chave mecânica , uma chave eletrônica apresenta vantagens edesvantagens.

Vantagens:

· Não apresenta desgastes

· Dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.

· Não apresenta arco voltaico

· Velocidade de comutação muito alta

Desvantagens:

· Apresenta uma pequena queda de tensão pois tem uma pequena resistência ao conduzir.

· Apresenta uma pequena corrente de fuga (nA) quando aberta.

· Dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.

A tabela 1 mostra, para os principais dispositivos, estes parâmetros aqui vistos. A figura 1mostra, de acordo com os parâmetros vistos, o campo de aplicação dos principais dispositivos.


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Tabela 1- Limites de Operação para os principais tipos de semicondutores

Figura 1- Aplicações dos Dispositivos de Potência (Cortesia da Powerex, Inc.)


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CLASSIFICAÇÃO DOS DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA.

Os dispositivos semicondutores de potência podem ser classificados sob vários aspectos:

1) Controlabilidade da entrada em condução ou desligamento. Neste caso os dispositivos se dividem em controláveis ou não. Por exemplo, um diodo não é

controlável nem na entrada em condução, nem no desligamento. Um SCR é controlável na entrada emcondução, mas não no desligamento. Um transistor ou um GTO é controlável sob os dois aspectos.

2) Necessidade de sinal contínuo de disparo.

Esta classificação divide os dispositivos em disparáveis por pulso (por exemplo, os tiristores) eos que necessitam de um sinal contínuo para permanecer conduzindo (por exemplo, transistores bipolares, MOSFETs, IGBTs, etc.).

3) Capacidade de bloquear tensões reversas.

Alguns componentes conseguem bloquear altas tensões quando reversamente polarizados (porexemplo, SCRs, GTOs, etc) e outros não (transistores bipolares, MOSFETs, etc).

4) Capacidade de conduzir corrente nos dois sentidos.

Podemos classificar os dispositivos em bidirecionais, ou seja, aqueles que permitem a passagemde corrente nos dois sentidos (por exemplo, o TRIAC) e aqueles unidirecionais (por exemplo, SCR,transistor bipolar, GTO, etc). Alguns dispositivos, como o MOSFET, apesar de permitirem a passagemde corrente em ambos os sentidos, em apenas um deles ela é controlável, sendo, portanto, consideradounidirecional.

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA.Os principais dispositivos empregados em eletrônica de potência têm evoluído

consideravelmente nos últimos anos. Cada vez mais tem se desenvolvido dispositivos para processarmais potência, como pode se verificar na figura abaixo (extraído de Mohan, 2002).


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Figura 2 - Semicondutores de potencia disponíveis no mercado em função da corrente tensão e frequência deoperação

Figura 3 - Características gerais dos Semicondutores de Potência.


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Figura 4 - Características e símbolos de alguns dispositivos de potência

O maior desafio no projeto de semicondutores de potência é obter altas tensões de bloqueio com baixas quedas diretas quanto em condução. Outro desafio é que aqueles dispositivos semicondutoresque apresentam altas tensões de bloqueio com baixas quedas diretas resultam tempos de comutaçãosignificativos. A tensão máxima de bloqueio de uma junção p-n e a sua região de depleção são umafunção do grau de dopagem. Para obter altas tensões de bloqueio é necessário reduzir a dopagem, eassim aumentar a resistividade. Por outro lado, essa região de alta resistividade contribuisignificativamente para resistência de condução do diapositivo. Assim dispositivos de alta tensãoapresentam maiores resistências de condução do que dispositivos de baixa tensão. Em dispositivos de portadores majoritários, por exemplo, os MOSFETS e os diodos Schottky, esse efeito é responsável


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pela dependência da queda direta ou sua resistência de condução com a tensão máxima de bloqueio.Por outro lado, e dispositivos de portadores minoritários, diodo de difusão, BJT , IGBT, SCR,GTO eMCT outro fenômeno chamado de modulação de condutividade ocorre. Quando um dispositivo de

portadores minoritários encontra-se em condução portadores minoritários são injetados na região de baixa dopagem através da junção que está diretamente polarizada. A elevada concentração de portadores minoritários na região de alta resistividade reduz a resistência aparente da junção p-ndurante a condução. Devido a esse fenômeno os dispositivos de portadores minoritários apresentamuma menor resistência se comprado com os dispositivos de portadores majoritários.

Deve ser salientado, que a vantagem dos dispositivos de portadores minoritários de reduzir aresistência de condução traz junto a desvantagem de aumentar os tempos de comutação. O estado decondução de qualquer semicondutor é controlado pela presença ou ausência de algumas cargas dentrodo dispositivo, e os tempos de entrada em condução e bloqueio são uma função do tempo necessário para colocar ou remover essas cargas. A quantidade total de cargas que controlam o estado decondução de dispositivos de portadores minoritários é muito maior que as cargas necessárias para

controlar um dispositivo equivalente de portadores majoritários.Apresas dos mecanismos de inserção e remoção das cargas de controle dos diferentes

dispositivos, (BJT, IGBT, MOSFET, DIODO, etc.) serem diferentes, é verdade que, devido à maiorquantidade de carga dos dispositivos de portadores minoritários, esses apresentam tempos decomutação significativamente maiores que os dispositivos de portadores majoritários. Com umaconseqüência dispositivos de portadores majoritários são usualmente utilizados em aplicações de baixas tensões e alta freqüência, dispositivos de portadores minoritários em altas tensões e alta potência. A figura abaixo descreve as diferentes semicondutores e as suas aplicações típicas.

Figura 5 - Semicondutores de potência em diferents aplicações


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DIODOS

O diodo é um semicondutor não controlável, pois o seu estado, conduzido ou bloqueado é determinado pela tensão ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado, e não por qualquer ação que possamostomar. Apresenta as seguintes características:

· É um dispositivo não-controlado (comuta somente espontaneamente);

· Conduz quando diretamente polarizado (Vak>0) e bloqueia quando i


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freqüências muito baixas, geralmente menor que 1kHz.. Possuem baixa queda em condução, destaforma estes diodos estão aptos para operar até vários kV de tensão e kA de corrente. Como o tempo derecuperação desses dispositivos é elevado (dezenas ou centenas de micro-segundos), estes dispositivos

não são indicados para operarem em altas freqüências.DIODOS RÁPIDOS

Diodos rápidos possuem tempos de recuperação trr da ordem de, no máximo, poucos micro-segundos, enquanto nos diodos normais é de dezenas ou centenas de micro-segundos. O retorno dacorrente a zero, após o bloqueio, devido à sua elevada derivada e ao fato de, neste momento, o diodo jáestar desligado, é uma fonte importante de sobretensões produzidas por indutâncias parasitasassociadas aos componentes por onde circula tal corrente. A fim de minimizar este fenômeno foramdesenvolvidos os diodos soft-recovery, nos quais esta variação de corrente é suavizada, reduzindo os picos de tensão gerados.

Os diodos rápidos são dispositivos projetados para o uso em aplicações envolvendo alta

freqüência, onde um pequeno tempo de recuperação é necessário. Em elevados níveis de potência, osdiodos rápidos possuem trr de poucos microssegundos ou até ns, além disso, esta classe de diodo possui baixa queda em condução direta.

DIODOS ULTRA-RÁPIDOS

É uma família melhorada dos diodos rápidos. São semelhantes aos diodos rápidos em termos dequeda em condução, porém possuem menor tempo de recuperação. Como recuperação ocorre de formasuave, é possível reduzir ou mesmo eliminar o uso de snubbers na maioria das aplicações. Sendo umdispositivo de portadores minoritários, sua queda em condução é pequena, de tal forma que pode seraplicado em altas tensões de bloqueio. É muito empregado em fontes chaveadas de alta freqüência dealta eficiência, nos quais se incluem aqueles que operaram com comutação ZVS e ZCS.

Para ilustrar, mostramos os diferentes comportamentos dos diodos durante as comutações:

DIODOS SCHOTTKY

São dispositivos basicamente de portadores majoritários, usados quando é necessária uma quedade condução direta pequena em circuitos com baixa tensão de saída. Possuem baixos tempos derecuperação, podendo operar em altas freqüências.

Estes diodos possuem uma queda de tensão em condução muito baixa, tipicamente de 0,3V.Entretanto, a máxima tensão suportável por estes diodos é de cerca de 100V, sendo difícil de seremencontrados diodos Schottky para tensões reversas maiores que 45V. Além disso, as correntes de fuga


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reversas são altas se comparáveis aos diodos por junção P-N. Note que, diferentemente dos diodosconvencionais (mostrado em uma figura anterior), assim que a corrente se inverte a tensão começa acrescer, o que indica que esse dispositivo não possui portadores minoritários.

A aplicação deste dos diodos do tipo Schottky ocorre principalmente em fontes de baixa tensão,nas quais as quedas sobre os retificadores são significativas. As duas características do diodo Schottkyque fazem ele ser um ganhador no mercado se comparado com retificadores de junção PN emaplicações de fontes chaveadas é a sua queda direta baixa e ausência de recuperação reversa devido a portadores minoritários. A ausência de portadores minoritários significa uma redução significativa das perdas de comutação. Talvez não menos importante, é o as oscilações de tensão quando do bloqueioque são menores se comparadas com aquelas dos diodos de junção PN, fazendo com que os circuitosSnubbers sejam menores e menos dissipativos ou mesmo desnecessários. A queda de tensão menor dosdiodos Schottky, se comparadas com as dos diodos de Junção PN, resulta em um maior rendimento emenores dissipadores.

CIRCUITO EQUIVALENTE

Para a maioria das aplicações, a resistência r av é suficientemente pequena para ser desprezadaem comparação aos outros elementos do circuito.

Circuito equivalente simplificado para o diodo semicondutor de silício


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APLICAÇÃO DO DIODO

Em geral, um diodo esta “ligado” se a corrente estabelecida pelas fontes é tal que sua direçãoesta no mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo e VD > 0,7V para o silício VD > 0,3V para ogermânico.

Para cada configuração, substitua mentalmente os diodos por elementos resistivos e note adireção resultante da corrente como sendo resultado das tensões aplicadas. Se a direção resultante estano mesmo sentido que a seta do símbolo do diodo, a condução será estabelecida através do diodo, e o

dispositivo esta no estado ligado. Em seguida, caso ele esteja conduzindo, substitua-o por seu modeloequivalente. Quando a corrente torna-se negativa o diodo bloqueia-se, comportando-se como circuitoaberto.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

Exemplo1: Determinar I, V1, V2 e V0 para a configuração abaixo. As fontes são desenhadas, e osentdio da corrente é indicado. O diodo esta conduzindo, e a notação utilizada é incluída para indicareste estado.


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Notação

Exemplo 2: Determinar I1, I2 e ID2, para o circuito abaixo.

Exemplo 3 Seja o circuito da Figura 0.10, determine os etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito. Considere que os parâmetros da Tabela I


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V

R

UVB

O circuito apresenta duas etapas de operação que são definidas a partir do estado do diodo, conduzindoe bloqueado.Etapa 1 . Duração q1


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(f ile Circuito_com_diodo_01.pl4; x-var t) v:V

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-350

-175

0

175

350[V]

Tensão da fonte

(f ile Circuito_com_diodo_01.pl4; x-var t) v:V -VR

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-450

-350

-250

-150

-50

50[V]

Tensão no diodo

(f ile Circuito_com_diodo_01.pl4; x-var t)factors:

offsets:

1

0,00E+00

v:VR1

0,00E+00

v:VB -VR-1

0,00E+00

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]-100

0

100

200

300

400[V]

Tensão Vr+Vb (vermelho) e Tensão no resistor (v erde)

Exemplo 2: Seja o circuito da Figura abaixo, determine os etapas de operação, bem como as principais

formas de ondas do circuito.

VR

L

v =V sin(wt )


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Vamos assumir inicialmente quer o circuito apresente um comportamento periódico e que a corrente noindutor em t = 0 seja nula. Logo o circuito apresenta duas etapas de operação dependendo do estado decondução do diodo.

Etapa 1 . Duração 0


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Pode der observado que na medida que a carga torna-se mais indutiva a®0 a duração da etapa 1 estendem-se no semi-ciclo negativo da rede, por outro lado quando a carga torna-se mais resistiva a®¥ a duração da primeira etapa aproxima-se do final do semi-ciclo positivo da rede.Etapa 1 . Duração q1


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(file circuito_com_diodo_02.pl4; x-v ar t)

factors:

offsets:

1

0,00E+00

v: V -VR

0,1

0,00E+00

c:V -VR

1

0,00E+00

0.10 7.08 14.06 21.04 28.02 35.00[ms]

-50

-36

-22

-8

6

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Tensão sobre diodo vak /10 (vermelho) e corrente no diodo (verde).

RESUMO

A corrente no diodo reverte por um tempo de recuperação reversarr t

. Em muitos circuitos, acorrente de recuperação reversa não afeta a característica do conversor e o diodo pode ser consideradoideal.

Tipos de diodos

· Schottky

Baixa queda de tensão (0,3V) e baixa tensão reversa de bloqueio (100V).

· De rápida recuperação

Pequeno rr t (poucos ms na faixa de centenas de volts e centenas de ampères).

· De freqüência da rede

Baixa queda de tensão e grande rr t .

Tensão reversa de bloqueio de vários kV e corrente nominal de vários kA.


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TRANSISTOR BIPOLAR

O princípio do transistor é poder controlar a corrente. É constituído por duas junções PN

(junção base-emissor e junção base-colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por trêsterminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C)

N – Material semicondutor com excesso de electrões livres

P – Material semicondutor com excesso de lacunas

A seta do símbolo define o sentido de condução da corrente. Para que o transístor bipolarconduza é necessário que seja aplicada na Base uma corrente mínima (VBE ≥ 0,7 Volt), caso contrárionão haverá passagem de corrente entre o Emissor e o Colector.

Se aplicarmos uma pequena corrente na base o transístor conduz e pode amplificar a correnteque passa do emissor para o colector.

Polarizando diretamente a junção base-emissor e inversamente a junção base-coletor, a correntede coletor IC passa a ser controlada pela corrente de base IB.


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· Um aumento na corrente de base IB provoca um aumento na corrente de colector IC evice-versa.

· A corrente de base sendo bem menor que a corrente de coletor, uma pequena variação de

IB provoca uma grande variação de IC, isto significa que a variação de corrente decoletor é um reflexo amplificado da variação da corrente na base.· O fato do transistor possibilitar a amplificação de um sinal faz com que ele seja

considerado um dispositivo ativo.

Este efeito de amplificação, denominado ganho de corrente pode ser expresso matematicamente pela relação entre a variação de corrente do coletor e a variação da corrente de base , isto é:

TENSÕES E CORRENTES NOS TRANSISTORES NPN E PNP


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VCE – Tensão colector - emissor

VBE – Tensão base – emissor

VCB – Tensão colector - base

IC – Corrente de colector

IB – Corrente de base

IE – Corrente de emissor

VRE – Tensão na resistência de emissor

VRC – Tensão na resistência de colector

Rc

Rb

+

IC

IE

IB

Considerando o sentido convencional da corrente eaplicando a lei dos nós obtemos a seguinte relaçãodas correntes num transístor bipolar

IE = IC + IB

SímboloCaracterística i x v

Característica Idealizada


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CONFIGURAÇÕES BÁSICAS

Os transistores podem ser utilizados em três configurações básicas: Base Comum (BC), Emissorcomum (EC), e Coletor comum (CC). O termo comum significa que o terminal é comum a entrada e a

saída do circuito.Configuração BC

· Ganho de corrente menor que 1

· Ganho de potência intermediário

· Impedância de entrada baixa

· Impedância de saída alta

· Não ocorre inversão de fase

Configuração CC

· Ganho de tensão menor que 1

· Ganho de corrente elevado;

· Ganho de potência intermediário

· Impedância de entrada alta

· Impedância de saída baixa

· Não ocorre a inversão de fase.

Configuração EC

· Ganho de tensão elevado

· Ganho de corrente elevado

· Ganho de potência elevado

· Impedância de entrada baixa

· Impedância de saída alta· Ocorre a inversão de fase.

Esta configuração é a mais utilizada em circuitos transistorizados. Por isso, os diversos parâmetros dos transistores fornecidos pelos manuais técnicos têm como referência a configuraçãoemissor comum. Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Nesta curva, paracada valor constante de VCE, variando-se a tensão de entrada VBE, obtém-se uma corrente de entrada IB,resultando num gráfico com o seguinte aspecto.


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Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a tensão entre a base e oemissor. Para cada constante de corrente de entrada IB, variando-se a tensão de saída VCE, obtém-se

uma corrente de saída IC, cujo gráfico tem o seguinte aspecto.

Através desta curva, podemos definir três estados do transistor, o CORTE, a SATURAÇÃO e aDATIVA

· CORTE: IC = 0· SATURAÇÃO: VCE = 0

· ACTIVA: Região entre o corte e a saturação.Para a configuração EC a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada determina o

ganho de corrente denominado de ou hFE (forward current transfer ratio).

O ganho de corrente não é constante, valores típicos são de 50 a 900.


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POLARIZAÇÃO DE TRANSISTORES

Para o transístor bipolar poder ser utilizado com interruptor, como amplificador ou comooscilador tem que estar devidamente polarizado através de uma fonte DC.

Para o transístor estar correctamente polarizado a junção PN base – emissor deve ser polarizadadirectamente e a junção base – colector deve ser polarizada inversamente.

Regra prática:

O Emissor é polarizado com a mesma polaridade que o semicondutor que o constitui.

A Base é polarizada com a mesma polaridade que o semicondutor que a constitui.

O Colector é polarizado com polaridade contrária à do semicondutor que o constitui.

Emissor Base Colector Emissor Base Colector

P N P N P N

+ - - - + +

+

Rc

Rb

_

Rc

Rb

+

_

Rb – Resistência de polarização de base

Rc – Resistência de colector ou resistência de carga

PONTO DE OPERAÇÃO (QUIESCENTE)

Os transistores são utilizados como elementos de amplificação de corrente e tensão, ou comoelementos de controle ON-OFF. Tanto para estas como para outras aplicações, o transistor deve estar polarizado corretamente.

Polarizar um transistor é fixá-lo num ponto de operação em corrente contínua, dentro de suascurvas características. Também chamado de polarização DC, este ponto de operação (ou quiescente) pode estar localizado nas regiões de corte, saturação ou altiva da curva característica de saída.

Os pontos QA, QB e QC da figura a seguir caracterizam as três regiões citadas.

QA: Região ativa

QB: Região de saturação

QC: Região de corte


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A reta de carga é o lugar geométrico de todos os pontos de operação possíveis para umadeterminada polarização. Podemos defini-la a partir de dois pontos conhecidos.

Desta forma, quando operando na região ativa ou região de amplificação o transistor operacomo amplificador, isto é , existe linearidade entre as suas correntes valendo a seguinte relação

IC = .IB, isto é, a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base, se I B dobrar devalor IC também dobra. A constante de proporcionalidade (beta) é um dos parâmetros do transistormuitas vezes encontrado nos manuais como hFE, sendo que o seu valor não é o mesmo para umdeterminado tipo de transistor podendo variar numa razão de 1:5 para um mesmo tipo de transistor.

Na região de corte todas as correntes são aproximadamente nulas (nA para transistor de Sí e mA para transistor de Ge) e o transistor comportará como uma chave aberta.

Para cortar um transistor basta fazer VBE £ 0 para transistor de Sí ou VBE£ -0,4V paratransistor de Ge (caso orientação em contrário neste livro usaremos sempre transistor de Sí ). A figura aseguir mostra um transistor polarizado no corte e o modelo equivalente simplificado (chave aberta).


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Quando saturado o transistor simula um chave fechada. A corrente de coletor é constantevalendo a seguinte relação entre IC e IB em um transistor saturado: IC £ .IB.

Para saturar um transistor a corrente de base deve ser maior ou pelo menos igual à umdeterminado valor especificado pelas curvas características de coletor. A figura abaixo mostra umtransistor saturado e o circuito equivalente (chave fechada).

Para compreenderemos melhor como um transistor passa do corte para a saturação ou vice-versa, consideremos a configuração emissor comum e as curvas características de coletor mostradas nafigura a seguir.

Inicialmente com VBB = 0 e como IB = (VBB - VBE)/RB @ VBB/RB o transistor estarácortado, isto é, IB= 0 e IC = 0 o ponto de operação estará localizado abaixo da reta de carga, e nestascondições VCE = VCC o transistor se comportará como uma chave aberta, existirá apenas uma pequena corrente de fuga da ordem de nA, caso o transistor seja de Sí. Aumentando VBB,aumentaremos IB ( não esqueça IB = VBB/RB) e o transistor entra na região ativa, onde IC = .IB.Se IB aumentar, IC aumenta na mesma proporção, porém existe um valor de IB para o qual um


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aumento adicional em IB não provocará aumento em IC, dizemos que o transistor saturou.. A saturaçãoé, portanto caracterizada por IC £ .IB, onde

IC =VCC/RC é a corrente de coletor na saturação (estamos admitindo que VCE = 0). Parasaturar deve ser observada a condição B ³IC/ =VCC/ .RC. Como já foi dito, na prática, o valor de pode variar muito de transistor para transistor, de um mínimo ( min) até um máximo ( Máx), paragarantir a saturação do transistor devemos usar o min.

CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSISTORES

Uso Geral

Pequenos SinaisBaixas FrequênciasCorrentes IC entre 20 e 500mATensão máxima entre 10 e 80 VFrequência de transição entre 1 Hz e 200 MHz

Potência

Correntes elevadasBaixas frequênciasCorrentes IC inferior a 15AFrequência de transição entreUso de radiadores de calor

RF

Pequenos sinaisFrequência elevadaCorrentes IC inferior a 200mATensão máxima entre 10 e 30V;Frequência de transição em 1,5 GHz


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CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Utilizando o código alfanumérico do transístor podem-se obter as suas

características técnicas por consulta de um data book ou de um data sheet dofabricante.

IC É a máxima corrente de colector que o transístor pode suportar. Seeste parâmetro for excedido o componente poderá queimar.

VCEO Tensão máxima colector – emissor com a base aberta.

VCBO Tensão máxima colector – base com o emissor aberto.

VEBO Tensão máxima emissor – base com o colector aberto.

hFE ou

Ganho ou factor de amplificação do transístor.hFE = IC : IB

Pd Potência máxima de dissipação.

f T Frequência de transição (frequência para a qual o ganho do transístoré 1 ou seja, o transístor não amplifica mais a corrente).


Exemplo 1: Dada a curva característica do dispositivo, determinar VCC, R B e R C para a configuração

indicada

Da reta de carga, tem-se:


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Valores comerciais de resistores:

R C = 2,4k W

R B = 2,4k W Utilizando os valores comerciais resulta em:

IB = 41,1 µA (que esta dentro da faixa de tolerância de 5% do valor especificado)

Exemplo 2: Dada que ICQ = 2mA e VCEQ = 10V, determine R 1 e R C para o circuito abaixo


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Os valores comerciais mais próximos a R 1 são 82k W e 91 k W. Entretanto, utilizando acombinação série dos valores comerciais 82k W e 4,7k W = 86,7k W resulta em um valor muito próximoao valor de projeto.

Exemplo 3: calcular R 4 e R 3 no circuito para que o transistor sature com IC = 10mA. Considerartransistor de Si com min = 100 , VBesat = 0,7V e VCesat = 0.

Solução: ICsat = 10mA =VCC/R C logo R 3 =12V/10mA =1K2

Para saturar IB ³ ICsat / min = 10mA /100 = 0,1mA adotando IB = 0,2mA e comoR 4 = (VBB - VBE)/IB = (5 – 0,7)/0,2mA = 21,5K adotamos o valor comercial imediatamente abaixo(aumenta mais ainda a garantia se saturação ) no caso R 4 = 18K.

Exemplo 2: Dimensionar R 2 para o transistor acionar o relê . Dados: Relê 12V/40mA min =100 VBesat= 0,7V.

Solução: ICsat = 40mA para saturar o transistor IB³ ICsat/ min = 40mA/100 = 0,4mA.


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Por outro lado R 2 £ (12 – 0,7)/0,4 = 11,3V/0,4mA = 28,25K e para dar uma garantia adicionaladotamos R 2 = 15K.Obs: a finalidade do diodo em paralelo com a bobina do diodo é eliminar a fcem gerada na bobinaquando o transistor corta.

RESUMO

· Corrente de base necessária para condução plena

FE

C B

h I I >

onde FE h é o ganho de corrente CC do dispositivo

O ganho de corrente CC é usualmente de 5 a 10 em transistores de potência


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Configuração Darlington

Características

· Tempo de chaveamento típico na faixa de poucas centenas de ns

· Correntes de centenas de ampères, tensões de bloqueio de até 1,4kV

· Coeficiente de temperatura da resistência de condução negativo

TIRISTORES

O tiristor conhecido também como SCR ( silicon-controlled rectifier ) é um retificador de silício

que funciona essencialmente como um interruptor estático unidireccional, isto é, abre ou fecha umcircuito através da aplicação de uma pequena tensão num dos seus terminais, não possuindo por issoqualquer contato mecânico, o que tem como vantagem um grande aumento do seu tempo de vida útil.Utiliza-se fundamentalmente no controlo de potência, quer em circuitos de corrente contínua quer decorrente alternada.

Permite não só retificar uma corrente alternada mas também controlar a corrente que passa porele e pela carga ligada em série com ele.


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SIMBOLOGIA E PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Como pode ser visto, o SCR assemelha-se a um diodo com um terminal de controle. Como umdíodo, só conduz corrente no sentido do ânodo para o cátodo, mas apenas quando lhe aplicamos umsinal de tensão no terminal chamado GATE. Na figura seguinte podemos ver um esquema querepresenta o seu circuito equivalente.

O estudo dos tiristores deve começar pelo dispositivo que origina toda a familia, o diodo dequatro camadas ou diodo Shockley ( não confundir com o diodo Schottky, diodo com duas camadas eusado para altas freqüências). As figuras a seguir mostram a estrutura e curva característica.


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Com polarização reversa o diodo se comporta como um diodo comum, apresentando altíssimaresistência. Se a tensão reversa exceder a tensão de breakdown (UBK) o diodo será destruído. Com polarização direta o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que um valor

chamado de tensão de breakover (UBO). Acima deste valor o dispositivo dispara passando a conduzir,somente voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo de um valor chamado detensão (corrente) de manutenção, UH (IH).

Qualquer mecanismo que provoque um aumento interno de corrente pode disparar a estrutura de4 camadas, dentre eles temos:

· Aumento de temperatura· Incidencia de radiação luminosa (LASCR)· Taxa de variação de tensão (dv/dt)· Injeção de corrente

O tiristor pode mudar de estado de condução com aplicação de um pulso de corrente na porta(gate) quando a tensão vak for positiva. Uma vez em condução, ele continua em condução mesmo quecorrente de gate seja removida. Neste estado o tiristor comporta-se como um diodo. Somente quando acorrente IA, que é governada pelo circuito externo, torna-se negativa é que o tiristor retorna ao estado bloqueado.

(a) Símbolo e (b) Característica ideal de um tiristor

O ânodo deverá estar positivo em relação ao cátodo. Se não enviarmos qualquer sinal de GATEao SCR, este permanecerá bloqueado pois nenhum dos transistores estará em condução. Enviando umcurto impulso de tensão entre a GATE e o CÁTODO o transistor T1 receberá na sua base uma correnteque será amplificada β vezes no coletor. Esta corrente de coletor colocará o transistor T2 em condução.

Por sua vez a condução de T2 (corrente no coletor, IC2) fará com que exista corrente na base de T1mantendo-o em condução.


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De notar que se o SCR estiver inversamente polarizado, não entrará em condução de forma

alguma pois a corrente não poderá contrariar o sentido das correntes dos transistores.REGIÕES DE OPERAÇÃO

Um SCR é basicamente um diodo de 4 camadas unilateral no qual foi colocado um terceiroeletrodo chamado de gate (G) ou porta usado para controlar o disparo do diodo por injeção de corrente.

O SCR tem três regiões de operação, consideradas a seguir, com IG = 0 :

Bloqueio Reverso: O anodo é negativo em relação ao catodo, nessas condições o SCR se comportaexatamente como um diodo comum. Se a tensão reversa aumentar além da da tensão de breakdown(UBK ), o SCR será destruído pelo efeito avalanche.


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Bloqueio Direto: O anodo é positivo em relação ao catodo, mas a tensão não é suficiente para dispararo SCR. Para disparar o SCR com o gate aberto (IG = 0 ) é necessário que a tensão de anodo atinja umvalor chamado de tensão de breakover (UBO ). Se UA for menor do que UBO o SCR continuará cortado.

Condução (Disparo): Quando a tensão de anodo atingir o valor UBO, o SCR dispara, isto é, a corrente

de anodo passa bruscamente de zero para um valor determinado pela resistência em série com o SCR.A tensão no SCR cai para um valor baixo (0,5V a 2V).

Fig6: SCR polarizado diretamente após o disparo

Após disparar, o SCR passa da condição de alta resistência para baixa resistência. A tensão deanodo cai para um valor baixo ( 0,5V a 1,5V ). O SCR só volta a cortar quando a tensão (corrente) cairabaixo de um valor chamado de tensão (corrente) de manutenção, UH (IH) cujo valor depende do tipode SCR (Por exemplo o TIC106 tem IH@ 0,5mA enquanto o TIC116 tem IH @ 15mA.

Como vimos anteriormente, um diodo de 4 camadas pode ser representado por dois transistoresligados com realimentação de um para o outro. Se adicionarmos um terceiro eletrodo, a porta, poderemos injetar corrente nesse eletrodo disparando a estrutura de 4 camadas para valores de tensãomenores do que UBO. Na realidade quanto maior for a corrente injetada menor a tensão de anodo


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necessária para disparar a estrutura de 4 camadas, daí o nome de Diodo controlado para essedispositivo.

Se for injetado uma corrente na porta (gate), será possível disparar o SCR com tensões de anodo bem menores do que UBO. Quanto maior a corrente de porta injetada, menor a tensão de anodonecessária para disparar o SCR, dai o nome diodo controlado.

Após o disparo o gate perde o controle o sobre o SCR, isto é, após o disparo o gate pode seraberto ou curto circuitado ao catodo que o SCR continua conduzindo. O SCR só volta ao corte quandoa corrente de anodo cair abaixo da corrente de manutenção.

A tensão máxima que pode ser aplicada entre anodo e catodo no sentido direto com IG = 0

como vimos é chamada de UBO, mas muitas vezes é designada de VDRM esta informação muitasvezes vem codificada no corpo do SCR, por exemplo :TIC 106 Y - 30V MCR 106-1 - 30V

TIC 106 F - 50V MCR 106-2 - 60V

TIC 106 A - 100V MCR 106-3 - 100V

TIC 106 B - 200V MCR 106 –4 – 200V

TIC 106 C - 300V MCR 106 – 5 - 300V

TIC 106 D – 400V MCR 106 – 6 - 400VOutra informação importante é a máxima tensão reversa que pode ser aplicada sem que ocorra

breakdown, é designada por VRRM, tipicamente é da mesma ordem de VDRM. Os valores de correntetambém devem ser conhecidos, IT, é a máxima corrente que o SCR pode manipular e pode serespecificada em termos de valor continuo ou eficaz (RMS) e depende da temperatura e do ângulo decondução (qF). Por exempo, o TIC 106 pode conduzir uma corrente continua de até 5A.

A corrente de gate necessária para disparar o SCR é designada IGT e pode ser da ordem de mAno caso do TIC 106.


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CARACTERÍSTICA TENSÃO - CORRENTEA característica U/I de um SCR traça-se dando valores de tensão entre o ânodo e o cátodo e

registrando a evolução dos valores da corrente que atravessam o SCR. O SCR tanto pode estar

diretamente como inversamente polarizado, sendo o seu comportamento completamente distinto numae noutra situação. Assim vamos analisar a característica U/I do SCR dividida em duas:CARACTERÍSTICA DIRETA V AK ≥ 0 V CARACTERÍSTICA INVERSA V AK < 0 V

Com o interruptor do circuito da gate aberto, verifica-se que, para baixas tensões ânodo-cátodo,designadas por VD, o SCR conduz apenas uma pequena corrente, ID, chamada corrente de fugas.

Continuando a aumentar o valor de VF, a corrente ID mantém-se praticamente constante,conforme se vê no gráfico. Só quando alcança um determinado valor de VD é que o SCR entra emcondução e observamos então que circula uma corrente ID elevada, limitada apenas pela resistência de

carga, RS. A tensão aos terminais do SCR cai para valores muito baixos. Ao valor da tensão quecolocou o SCR em condução sem necessitar de impulso de gate chama-se TENSÃO DE RUPTURA NO SENTIDO DIRECTO e designa-se por VBO

Podemos ainda observar que para um grande aumento de ID o valor de VD aumentaligeiramente, mantendo-se baixo (cerca de 1,4 V).

IH é a mínima corrente necessária que deve circular no SCR para que este, estando emcondução, não passe ao estado de bloqueio. IL é a corrente mínima necessária que se estabelece nocircuito no instante que o SCR vai passar de bloqueado a condutor. Esta corrente é normalmentesuperior a IH.

MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA ENTREGUE À CARGA

Disparo síncrono ou disparo a tensão nula O disparo do tiristor produz-se neste sistema de controle de potência entregue à carga, quando a

tensão ânodo – cátodo está a zero (daí disparo a tensão nula).A carga e o tirístor estão ligados em série com a alimentação da corrente alternada e só pode

passar corrente na carga durante os semicíclos em que o ânodo é positivo em, relação ao cátodo e na porta (ou gate) se aplica um impulso positivo de corrente. O impulso na gate (ou porta) controla o período de condução do tirístor.

Se na porta se aplicarem impulsos positivos de corrente que coincidam com o início de cadasemicíclo positivo, o tirístor conduzirá todos os semicíclos positivos


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Controlo de faseEnquanto que no disparo síncrono os impulsos de corrente aplicados na porta coincidem com o

início de todos ou de alguns dos semicíclos positivos, no controlo de fase os impulsos da corrente dedisparo têm lugar dentro de cada semiciclo positivo da tensão de alimentação.O ângulo para o qual se inicia a condução designa-se por ângulo de disparo, enquanto o ângulodurante o qual o tirístor se encontra à condução denomina-se de ângulo de condução.

Disparo por CC - Carga CAComo foi visto anteriormente, quando o disparo é em CC com carga CC , é necessário circuito

de reset para cortar o SCR, ao mesmo tempo não é necessário manter corrente no gate. Quando odisparo é por corrente contínua (CC) mas a carga é CA, para manter o SCR conduzindo é necessário


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manter sinal no gate, pois se o sinal de gate for retirado, o SCR cortará quando a tensão de anodo passar por zero. A figura (a) abaixo mostra um circuito com disparo CC e carga CA e a figura (b) aforma de onda na carga quando a chave CH é fechada num instante t1 e aberta em t2.

( a )

( b ) No circuito da figura (a) podemos observar que, ao fechar a chave o SCR só disparará se a

tensão de anodo for positiva. A partir desse instante toda a tensão da rede cairá sobre a carga e a tensãono SCR será de aproximadamente 1V. Se a carga for resistiva podem ocorrer picos de correnteexcessivamente altos os quais podem destruir o SCR e/ou a carga. Para evitar isso é que existemcircuitos que só disparam o SCR quando a tensão da rede for próxima de zero, chamados de ZVS (Zero Voltage Switch ).

Disparo CA - Carga CA - Retif icador Controlado Meia Onda No disparo por CA a alimentação de anodo e de gate é obtida da mesma fonte senoidal. O

controle de disparo é feito controlando-se o instante (ou o ângulo de disparo) em que o SCR é gatilhadono semi-ciclo positivo. Para melhor compreensão vamos supor que o SCR da figura abaixo entra emcondução no instante que a tensão de entrada estiver passando por um angulo de fase qF, chamado deângulo de disparo. A condução começa nesse ponto e termina quando a tensão de anodo cair abaixo datensão de manutenção, UH, que consideraremos desprezível face à tensão de pico da rede, VM.A figura(b) a seguir mostra as principais formas de onda.


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( a )

( b )A tensão na carga tem um valor médio (V DC) e um valor eficaz (V RMS) que podem ser

calculados usando o calculo diferencial e integral. Através do cálculo diferencial e integral pode-sedemonstrar que a tensão média (contínua ) na carga é calculada por :

VDC = = tensão média (contínua ) na carga

Fica como exercício para o aluno a demonstração.

Obs: A tensão média é a tensão que será medida por um voltímetro CC.

Por exemplo se qF = 0º resulta VDC= e a forma de onda corresponde à forma de

onda de um retificador meia onda com diodo comum.


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Se qF = 180º resulta VDC = 0, isto é , não existe tensão na carga.

Por cálculo integral também obtém-se a expressão que dá a tem eficaz (VEF ou VRMS) na

carga:

VRMS = = tensão eficaz na carga

Por exemplo se qF = 0º VRMS = que é igual ao mesmo valor da tensão

do retificador de meia onda.

Se qF = 180º VRMS = 0

Obs: A tensão eficaz está relacionada à potência dissipada na carga

Exercício Resolvido

Considere que no circuito da figura (a) acima o ângulo de disparo é 60º e que R L=100W. Calcular : a)Tensão e corrente contínua na carga b) Potência dissipada na carga

Dados : ve =110, senwt(V)

Solução: a) qF = 60º, cos60º = 0,5 VM =110. senwt(V

logo IDC = 37V/100W =0,37A

= . = 75V

PD = = = 56,25W


Exemplo 1 Determine os etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito.


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No circuito v =V sin(wt ) e os pulsos de corrente de gate para is tiristores T 1 e T 2 estão emsincronismos com a rede como mostrado na figura abaixo. Topo: Tensão da Rede; Meio: Pulsos paragerar a corrente de gate do Tiristor 1. Baixo: Pulsos para gerar a corrente de gate do Tiristor 2.

(file Circuito_com_SCR.pl4; x-var t)factors:offsets:

10,00E+00

t: SCR110,00E+00

t: SCR210,00E+00

v:V0,010,00E+00

0 5 10 15 20 25 30 35[ms]

-3.500

-2.625

-1.750

-0.875

0.000

0.875

1.750

2.625

3.500Tensão da fonte (azul). Pulso 1(vermelho). Pulso 2(verde)

Vamos assumir inicialmente quer o circuito apresente um comportamento periódico e que a

corrente no indutor em wt = a seja nula. Como possivelmente essa hipótese poderá ser violada, vamoschamar desse modo de operação de MODO 1. Logo o circuito, no Modo 1, apresenta duas etapas deoperação dependendo do estado de condução dos tiristores.Etapa 1 . Duração 0


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Etapa 2 . Duração a


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Note que se q'1 for maior que 180º a hipótese inicial que a corrente no indutor é nula em wt= a não é mais válida. Neste caso, o circuito passa a operar em um outro modo de operação, aquidenominado de Modo 2 de operação.


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Formas de onda do gradador. V =311 V, w=377 rad/s; R =10 W, L = 100mH. (a) Tensão da rede,v/10, e corrente na carga (A). (b) Tensão na Carga / 10 , e corrente de carga. (c) Tensão sobre diodovak /10 e corrente no diodo. e d = 0,265


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RESUMO


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· Disparo

O tiristor é ligado por aplicação de corrente de gatilho positiva.

· Condução

Queda de tensão de 1 a 3V (depende da tensão de bloqueio).

Uma vez conduzindo, a corrente de gatilho pode ser removida.

· Bloqueio

O tiristor não pode ser desligado pelo gatilho (conduz como um diodo).

Em polarização reversa, apenas uma corrente desprezível flui no tiristor.

Exemplo


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· Tiristor ideal

Quando a corrente no tiristor tenta reverter, ela se torna zero imediatamente.

· Tiristor real

A corrente no tiristor reverte antes de se tornar zero.

Tempo q t : passagem por zero da corrente até a passagem por zero da tensão.

Se uma tensão direta é aplicada ao tiristor durante q t , ele pode ligar.

Tipos de tiristores

· Tiristores para controle de fase.

Correntes de até 4kA, tensões de bloqueio de até 7kV.

Queda de tensão de 1,5V (dispositivo de 1kV) a 3V (dispositivo de 7kV).

· Tiristores para inversor

Correntes de até 1,5kA, tensões de bloqueio de até 2,5kV.

Tempo q t de até 100ms (depende da tensão de bloqueio e da queda de tensão).

· Tiristores ativados por luz

Ligados por um pulso de luz guiado por fibra óptica.

Correntes de até 3kA, tensões de bloqueio de até 4kV.

Queda de tensão de 2V e potência do circuito de gatilho de 5mW.


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MOSFET

Power FETs ou Power MOSFETS são FETs especiais projetados para conduzir altas correntessob regime de altas tensões. Esses FETs são encontrados em muitas aplicações modernas no controlede motores, solenoides e outras cargas de alta potência. A estrutura e o princípio de funcionamento domosfet de potência é a mesma dos MOSTFETs comuns exceto pela sua alta capacidade de controle.Assim, as principais diferenças estão no tamanho da pastilha de material semicondutor de silício e no processo de fabricação.

A principal vantagem encontrada no emprego dos MOSFETs em muitas aplicações está no fatode que, quando conduzindo eles apresentam uma resistência extremamente baixa entre o dreno e afonte (chamada Rds). Como o dispositivo praticamente não têm resistência ao conduzir, a quantidadede calor que ele dissipa é mínima. Esse fato permite que ele controle correntes muito intensas praticamente sem dissipar calor. MOSFETs de potência comuns podem controlar correntes de dezenase até centenas de ampères dissipando um mínimo de calor. Na figura abaixo temos os símbolosadotados para representar os dois principais tipos de MOSFETs de potência assim como os aspectos.

O MOSFET é um dispositivo controlado pela tensão, como indicado na curva característicai – v apresentada acima. O dispositivo é totalmente ligado e se aproxima de uma chave fechada quandoa tensão gate-fonte é menor que o valor de referência, VGS(th).

O MOSFET necessita uma aplicação contínua de uma tensão gate-fonte em um valorapropriado para manter o dispositivo ligado. Nenhuma corrente circula pelo gate, exceto durante atransição d condição de ligado para desligado ou vice-versa quado as capacitâncias estão carregadas oudescarregadas. O tempo de mudança de estados são muito rápidos, variando de cerca de dezenas denanossegundos até centenas de nanossegundos, dependendo do dispositivo.

Devido a rápida velocidade de chaveamento, as perdas durante o chaveamento podem sem bem pequenas. A seguir apresnetamos as principais características dos MOSFET

· Dispositivo controlado por tensão· Aplicação contínua de sinal de gatilho para se manter conduzindo· Corrente de gatilho nula, exceto durante bloqueio ou disparo· Tempos de chaveamento típico na faixa de dezenas de ns: baixas perdas

· A resistência de condução cresce com a tensão de bloqueio DSS BV

o 7.25.2

)(-= DSS on DS kBV r

o onde k é uma constante que depende da geometria do dispositivo.


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· MOSFETs de 300-400V competem com BJTs se a freqüência de chaveamento forsuperior a 30kHz

· Disponíveis para 1000V (baixa corrente) ou até 100A (baixa tensão)

· Coeficiente de temperatura da resistência de condução positivo

MOSFETS (METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FET) TIPO DEPLEÇÃOO MOFET, como os BJT, é um semicondutor totalmente controlado. A característica estática de

um MOSFET ideal é mostrada na figura abaixo. O MOSFET pode conduzir corrente somente em umadireção, e quando em estado bloqueado, suporta somente tensões positivas, ou seja, id>0 e vDS>0.Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte, vGS, o MOSFET entra emcondução. Com a remoção da tensão vGS o MOSFET volta ao estado bloqueado.

(a) Símbolo e (b) Característica ideal de um MOSFET. Um transistor MOSFET (FET com gate a metal-óxido-semicondutor) é parecido com um JFET,

porém seu terminal de gate é isolado do semicondutor por um óxido, razão de seu nome, não tendo, portanto, a junção que caracteriza aquele. Um MOSFET pode ser de dois tipos: depleção ou

crescimento.A figura abaixo mostra a estrutura e o símbolo de um MOSFET tipo depleção, tanto de canal Ncomo de canal P. O funcionamento é o mesmo para os dois transistores, independentemente do canal.Apenas as polaridades são invertidas bem como o sentido das correntes. Assim explicaremos apenas ofuncionamento para o transistor canal N. Ele recebe este nome porque o canal, caminho que liga osource ao dreno, é constituído de cristal tipo N.

O substrato é geralmente ligado ao source de modo a polarizar a junção drenosubstratoreversamente, uma vez que a tensão no dreno é positiva em relação ao source. Observe que fazendo


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isso temos uma junção, ou seja, um diodo, conectado reversamente entre dreno e source. Isso significaque quando polarizado reversamente (dreno negativo em relação ao source) o MOSFET conduz.

Supondo o MOSFET canal N polarizado diretamente (dreno positivo em relação ao source), se

aplicarmos uma tensão negativa no gate em relação ao source, é criado um campo elétrico no gate, querepele os elétrons do canal, diminuindo sua condutividade, aumentando a resistência dreno-source. Seaumentarmos a tensão no gate, chega um ponto em que todo o canal foi extinto e o transistor deixa deconduzir. Esta tensão é chamada de Vp (tensão de pinch-off), da mesma forma que para um JFET.Aliás todo o comportamento descrito até aqui é similar ao de um JFET, com a diferença de que, devidoao óxido (que é um isolante) a resistência da gate de um MOSFET é ainda maior do que a de um JFET,sendo sua corrente de gate perfeitamente desprezível.

Entretanto, diferentemente de um JFET, já que não existe mais a junção do gate, tensões positivas podem ser aplicadas ao gate em relação ao source. Se fizermos isso, elétrons serão atraídos para o canal, aumentando sua condutividade. Quanto maior a tensão aplicada ao gate, maior é acondutividade do canal e, portanto, menor a resistência drenosource. A figura abaixo mostra as curvas

características de um MOSFET tipo depleção canal N. Repare que ela é muito parecida com as de umJFET, podendo, no entanto, trabalhar com Vgs positivo.

MOSFET TIPO CRESCIMENTOO fato do MOSFET tipo depleção conduzir com Vgs=0 (sem tensão entre gatesource) é

indesejável quando se deseja que o mesmo trabalhe como uma chave, já que o sinal em seu gate teriade ter valores positivos e negativos. Assim foi desenvolvido um segundo tipo de MOSFET, chamadode tipo crescimento. A figura abaixo mostra a estrutura e o símbolo para um MOSFET tipo crescimentotanto para um canal N como para um canal P. Novamente, devido a complementaridade dofuncionamento, explicações serão dadas apenas para o MOSFET canal N.


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Primeiramente notamos que o canal agora não mais é formado por um cristal N, mas sim porum acumulo de elétrons dentro do próprio substrato P. Assim, se nenhuma tensão ou se uma tensãonegativa é aplicada ao gate em relação ao source, não há a formação do canal e a resistência dreno-source é muito grande, ou seja, o MOSFET não conduz.

Se aplicarmos agora uma tensão positiva no gate em relação ao source, elétrons são atraídos para a região próxima ao gate, dando início à formação da canal. Entretanto, enquanto esta tensão nãofor maior que um determinado valor, chamado de tensão de limiar (Vt, tensão de threshold), o canalainda não consegue ligar o cristal N do dreno ao cristal N do source e o MOSFET não conduz, isto é, aresistência dreno-source é muito alta. A partir deste valor, o canal já está formado e apenas aumenta amedida que Vgs aumenta, diminuindo cada vez mais a resistência dreno-source. Este comportamento émostrado na figura a seguir.

Para que um MOSFET trabalhe como uma chave, basta aplicarmos uma tensão suficientementealta entre gate e source, quando desejarmos que ele conduza, e aplicarmos uma tensão nula para que eleentre no corte. Entretanto, para apressar a descarga de sua capacitância de gate e, portanto, acelerar seudesligamento, normalmente é aplicada uma tensão Vgs negativa para levá-lo a não condução.

O nome crescimento vem do fato do canal sempre crescer a medida que polarizamos seu gate.MOSFETS de potência são geralmente do tipo crescimento e canal N, devido a sua maior velocidade.Aliás, a rapidez dos MOSFETs é sua principal vantagem em relação aos outros componentes. As principais desvantagens dos MOSFETS são sua resistência quando em condução, maior que a dostransistores bipolares e dos tiristores, e a necessidade de um maior cuidado em seu manuseio, poisfacilmente a sua camada de óxido pode se romper. Porém, já existem hoje famílias de dispositivos com baixa resistência de condução e bem mais resistentes ao rompimento de seu óxido.


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MOSFETs, a princípio, não necessitam de corrente em seus gates. Porém, devido a capacitânciaentre o terminal de gate e o semicondutor, inicialmente uma corrente deve ser fornecida de modo acarregar esta capacitância (para entrar em condução) ou descarregá-la (para deixar de conduzir). Assim,

o circuito básico para acionamento de um MOSFET é mostrado na figura abaixo. O resistor R1 tem afunção de limitar a corrente no gate e seu valor é normalmente pequeno (algumas dezenas de ohm) paraque a constante de tempo de carga e descarga da capacitância de gate seja pequena. A tensão Ve podeapresentar uma tensão negativa em lugar de uma tensão nula para que mais rapidamente o MOSFETdeixe de conduzir. Quando isso não ocorre, normalmente é colocado um diodo em paralelo com R1 para acelerar a descarga da capacitância de gate.

EXERCÍCIOS RESOLVIDOSExemplo 3 determine as etapas de operação, bem como as principais formas de ondas do circuito,assumindo que:


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O objetivo desse exemplo é determinar quais as restrições que devem ser satisfeitas para ocircuito opere como as hipóteses realizadas. É razoável assumir que o circuito apresente umafreqüência de operação constante devido a natureza da tensão de gate-source, vgs . Ainda, quando vgs=10 V, o MOSFET conduz e o diodo é bloqueado, uma vez que vin >0. O circuito equivalente é omostrado abaixo, e esta etapa será chamada de Etapa 1.


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GTO

O símbolo e as características i – v em regime permanente para o GTO são mostrados na figura

abaixo.

Todos os tiristores só se desligam quando a corrente cai abaixo da corrente de manutenção, oque exige circuitos especiais de desligamento em certos casos. O GTO permite o desligamento pelogate, por pulso negativo de alta corrente, daí o nome (Gate Turn Off, desligamento pelo gate).

Assim como o tiristor, o GTO pode ser ligado por um pulso de corrente ao gate de curtaduração, e uma vez ligado, o GTO pode ficar sem nenhuma corrente ao gate. Entretanto, diferente dotiristor, o GTO pode ser desligado aplicando uma tensão negativa entre o gate-catodo, causando assimum fluxo considerável de corrente negativa ao gate. Esta corrente negativa ao gate necessita circularapenas por uns poucos microssegundos, mas tem que tem que ter uma grande magnitude.

Se aplicarmos um impulso positivo na gate o tirístor conduz, se aplicarmos um impulsonegativo na gate o tirístor deixa de conduzir. Todos os tirístores só se desligam quando a corrente cai

abaixo da corrente mínima de manutenção (IH), o que exige em certos casos circuitos especiais paradesligar. O GTO permite ser desligado por impulso negativo de alta corrente na gate, em geral produzido através da descarga de um condensadorEstruturalmente, é similar ao SCR, mas a dopagem ea geometria da camada do gate permite minimizar o sobre-aquecimento durante o desligamento (o quedestruiria um SCR). O desligamento é feito em geral através de descarga de um capacitor.

O GTO, Gate Turn Off Thyristors, é um dispositivo moderno que pode ser desligado pelo gate.O contato de gate e do catodo são interdigitados, de forma que toda a junção gate-catodo pode serreversamente polarizada durante a transição de bloqueio.

O ganho de desligamento do GTO é a razão entre a corrente negativa de gate e a correntenecessária para levar o dispositivo ao bloqueio. Valores típicos de ganho são de 2 a 5. Isto significa quevárias centenas de ampares de corrente de gate negativa são necessários para bloquear um GTO de

1000 A.A figura abaixo mostra formas de onda típicas de um GTO.


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A seguir apresentamos as principais características dos GTO:

· Gatilho por pulso de corrente de curta duração

· Uma vez conduzindo, o sinal de disparo pode ser retirado

· Pode ser desligado pela aplicação de tensão gatilho-catodo negativa

· Corrente negativa necessária dura poucos ms, mas deve ter alto valor

· Capacidade de bloqueio de tensão reversa

· Devido à baixa suportabilidade a dv/dt, não podem desligar correntes indutivas sem um circuito

snubber


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· Queda de tensão típica sob condução 2 a 3V

· Tempo de chaveamento típico 25

ms

· Correntes nominais de poucos kA, tensões nominais de até 4,5kV

· Altas tensões e grandes correntes em freqüências de até 10kHz

IGBT

O símbolo e as características i – v para o IGBT são apresentadas a seguir:

Um IGBT (transistor bipolar de gate isolado) é um componente que junta as principaisvantagens de um transistor bipolar, um MOSFET e um tiristor. O IGBT possui baixa resistência decondução, como um transistor bipolar. Possui alta velocidade e facilidade de acionamento, como um


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MOSFET. E pode suportar grandes tensões reversas, como um tiristor. O IGBT tem alta impedância degate, a qual requer apenas uma pequena quantidade de energia para chavear o dispositivo.

O IGBT é um dispositivo semicondutor moderno de quatro camadas de gate isolado. Pode-senotar que o IGBT é muito parecido com o MOSFET com relação ao tipo construtivo. A diferençafundamental é a região p conectada ao coletor do IGBT. A função da camada p é de injetar portadoresminoritários na região n- quando o dispositivo opera na região de condução.

Quando o IGBT conduz a junção pn- é polarizada diretamente e portadores minoritários sãoinjetados na região n- e a resistência é reduzida pelo efeito de modulação de condutividade. Isto reduz aresistência ON da região n-, que permite a construção de IGBTs de alta tensão de bloqueio apresentarqueda de tensão direta aceitáveis. Em 1999 IGBTs de 600 V a 3300V eram disponíveis com quedas

diretas entre 2 a 4 V, que são muito menor do que as de MOSFETs com a mesma área dosemicondutor.

O IGBT funciona como um MOSFET de canal n conectado a um transistor pnp. A característicaestática ideal de um IGBT é semelhante à de um MOSFET. O IGBT pode conduzir corrente somenteem uma direção, e quando em estado bloqueado, suporta somente tensões positivas, ou seja id >0 e vce>0.Quando uma tensão adequada é aplicada entre os termais da porta e fonte, vge, o IGBT entra em condução.Com a remoção da tensão vge o IGBT volta ao estado bloqueado.


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O preço pago por reduzir a tensão do IGBT é o aumento dos tempos de comutação, especialmente ostempos de desligamentos. Os IGBT tem um tempo de condução e de bloqueio da ordem de 1 ms e estãodisponíveis em módulos tão grande quanto 1700V 1200A. As tensões nominasi de projeto são 2 – 3kV.

As principais característica do IGBT são:· Disparo por sinal de tensão

· Devido à alta impedância, requer pouca energia no circuito de disparo

· Baixa queda de tensão sob condução: 2V em um dispositivo de 1000V

· Pode bloquear tensões negativas

· ont e off t da ordem de 1ms

· Correntes de 1200A, tensões de bloqueio de até 3kV


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C C OO M M P P A A R R A AÇ Ç Ã ÃOO E E N N T T R R E E C C H H A AV V E ESS C C OO N N T T R ROO L L A A D D A ASS

Dispositivo Potência Velocidade de chaveamento

BJT Média Média

MOSFET Baixa Rápida

GTO AltaLenta

IGBT Média Média

CARACTERÍSTICAS DOS DISPOSITIVOS· Tensão e resistência de condução definem as perdas de condução

· Tempos de chaveamento definem as perdas de chaveamento e a máxima freqüência deoperação possível

· Tensões e correntes nominais determinam a máxima potência da chave

· Potência do circuito de disparo/bloqueio determina a facilidade de controle

· Coeficiente de temperatura da resistência de condução determina a facilidade deconectar as chaves em paralelo

· Custo do dispositivo é um fator em sua seleção

COMBINAÇÃO TÍPICA DE SEMICONDUTORESAs combinações típicas de semicondutores encontrados em conversores estáticos são:

Tiristores em antiparalelo Tiristores com diodo em Antiparalelo

BJT com Diodo em Antiparalelo MOSFET com Diodo em Antiparalelo

IGBT com Diodo em Antiparalelo IGBT com Diodo Serie


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Exemplo 4 O circuito da Figura 0.34 é um conversor CC-CC que se caracteriza por operar comfreqüência de comutação variável. Este conversor apresenta como vantagem a comutação em entradaem condução e bloqueio do IGBT com corrente nula. Aqui este conversor será utilizado para

exemplificar a solução de circuitos comutados de segunda ordem. As seguintes hipóteses são assumidas para a análise do circuito:


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