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Circuitos EletrônicosCircuitos Eletrônicosaplicados àaplicados à MecatrônicaMecatrônica
Prof. Francisco [email protected]
Unisal
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Plano de AulasPlano de Aulas 20 horas / aula total , 5 aulas (4 horas cada) dia 7/08 (aulas 1 e 2), dia 21/08 (aula 3 e 4) e dia 4/09
(aula 5) Avaliação: trabalho prático (montar e apresentar um
circuito, Avaliação Teórica) Livro: BOYLESTAD e NASHELSKY,“Dispositivos
Eletrônicos e Teoria de Circuitos”, Editora PrenticeHall, 8 Edição.
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Conteúdo ProgramáticoConteúdo Programático Aula 1: Drivers DC Relês
Transistores BJT Projetos de drivers com
transistores
Transistores Mos-Fet -HexFet Exemplos de projetos
Aula 2: Drivers AC Tiristores, SCR e
TRIACs Controle dos tiristores Controlador On-Off
Controle PWM Aula Prática
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ConteúdoConteúdo
Aula 3: Aplicações PPM (Pulse Position
Modulation);
Controle de Triac aMicrocontrolador; Aula Prática: dimmer
com Microcontrolador
acionando o TRIAC.
Aula 4: Condicionamento de
Sinais
AmplificadoresOperacionais Aplicações de Amp
Ops Aula Prática
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ConteúdoConteúdo
Aula 5: Sinais - Conversor Tensão/
corrente Conversor AD Conversor
Tensão/frequência Avaliação Final.
Nota Final: Avaliação Escrita, em
dupla (não reprova) =P
Trabalho Prático=T Média = (P + T) / 2
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AULA 1AULA 1
Drivers com Relês, transístores BJT,MOS-FETS e IGBTs O transistor como chave Corte a saturação
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Fórmulas ImportantesFórmulas Importantes
Lei do Ohm: U=R.i Lei da Potência: P=U.i
Exemplo 1: Um chuveiro
possui uma
resistência quequando aquecidadissipa 5500 W, se
ligado em 220V. Qual é o valor da
resistência ?
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Drivers de PotênciaDrivers de Potência Carga: É o elemento do circuito que
recebe Potência Energia: joules [J] Potência: watts [W] P = Energia / Tempo Fórmulas em Eletricidade:
Exemplos de cargas: motores, lâmpadas, leds, resistores,
etc.
2
2
.
.
I RP
R
U P
I U P
=
=
=
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Potência na cargaPotência na carga
Exemplo 2: Lâmpada de lanterna de automóvel,12
volts, 21 watts, calcular:
(a) Corrente consumida pela lâmpada (em 12V)? (b) Resistência do filamento ? (nominal) (c) Potência na lâmpada se ligada em 6 volts?
(d) Energia (em joules) caso a lâmpada permaneçaligada durante 1 hora em 12 volts.
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DriversDrivers Lâmpada é a carga (elemento que drena energia) A corrente consumida é muito alta para ser ligada
diretamente ao circuito Oscilador; Como ligar a lâmpada ao circuito oscilador ?
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Solução:Solução: Usando um Driver !Usando um Driver !
Tipos de Drivers usados em CC:
a) driver a Relê eletromecânico
b) driver a transistor BJT (de junção bipolar) c)driver a transistor Mos-Fet. d) driver a IGBT.
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Driver = transistor é como uma chave !Driver = transistor é como uma chave ! Controle “on-off” da carga; O “comando” da chave é a base do transístor.
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Driver aDriver a transístortransístor BJTBJT Um transístor BJT pode ser PNP ou NPN terminais: Coletor, Base, Emissor
diversos encapsulamentos
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Equações mais importantes sobreEquações mais importantes sobreTransistores BJT (para NPN)Transistores BJT (para NPN)
Ie = Ib + Ic (Lei dos Nós) Vce = Vcb + Vbe (Lei das Malhas)
Vbe = 0,7 volts (aprox.) Hfe = Beta = Ic / Ib Aproximação: Ic = Ie (a corrente de base
é desprezível, muito pequena)
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Encapsulamento deEncapsulamento de TransístoresTransístores
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Exemplos de modelos comerciaisExemplos de modelos comerciais Baixa Potência: BC548, BC337, BC558, BC238,2N2222, 2SC936, 2SA1176, 2N
Média Potência: BD135, BD136, BD140, TIP31,TIP32, TIP41, TIP42 Alta potência: 2N3055, MJ802, 2N2776 para Rádio Frequência: 2N3866, 2N3553, etc. Existem milhares de modelos de transistores BJT !!
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Testando um TransistorTestando um Transistor Identificar a B (Base)
testar os “2 diodos internos” Identificar o Coletor e o Emissor
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Teste com oTeste com o MultímetroMultímetro
Analógico é melhor;
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Driver comDriver com transístortransístor BJTBJT Com transístor NPN
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Driver com BJTDriver com BJT O Transístor é usado na região de corte e
saturação (fora da região ativa);
No caso de carga indutiva, usar o diodo de proteçãoem anti-paralelo com a carga. Driver com transistor PNP, observe o ERRO no desenho abaixo:
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Drivers com BJTDrivers com BJTDiferenças com transistor PNP e NPNDiferenças com transistor PNP e NPN
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Observação Importante!Observação Importante! A carga deve ser sempre ligada ao COLETOR
transístor, nunca ao emissor. Veja o ERRADO:
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Explicação:Explicação:
Ligar a carga ao emissor (ao invés de ligar aocoletor) produz outra configuração, chamadaSEGUIDOR DE EMISSOR.
Nesta configuração, a tensão de emissor seguirá
fielmente a tensão de base, a menos de umaconstante Vbe=0,7 V.
Dessa forma, perdemos a desejada característica
de “corte e saturação” necessária para que otransistor funcione como chave “on-off”.
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Equação da RetaEquação da Reta
Na geometria analítica: Dado 2 pontos P(xo,yo) e Q(x1,y1) pertencente à
reta “r” e m = (y1 - yo) / (x1 - xo) Eq. Da Reta: y - yo = m ( x - xo)
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Reta de carga doReta de carga do
TransístorTransístor
É uma curva Vce versus Ic
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Reta de cargaReta de carga
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Reta de cargaReta de carga
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Reta de cargaReta de carga
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Ponto de Operação (Ponto de Operação (
QuiescenteQuiescente
))
Os transístores são utilizados como elementos deamplificação de corrente e tensão, ou comoelementos de controle ON-OFF. Tanto para estas
como para outras aplicações, o transístor deveestar polarizado corretamente.
Polarizar um transístor é fixá-lo num ponto de
operação em corrente contínua, dentro de suascurvas características.
Ótimo site: www.arvm.org/exames/trasistor.htm
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PontoPonto QuiescenteQuiescente
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.
Qa = Região ativa
Qb = Região de saturação Qc = Região de corte
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Reta de cargaReta de carga
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Notar que:Notar que:
Na região de corte, a tensão Vce é máxima (iguala Vcc) e a corrente de coletor é zero;
Na região de saturação, a corrente de coletor é
máxima (depende da carga) e Vce é mínima(aprox. 0,3 V).
A Potência dissipada na junção coletor-emissor éPce = Vce.Ic
Boylestad, p. 155 até 157
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Cálculos dosCálculos dos resistoresresistores dedeColetor e de baseColetor e de base
Rc = [ Vcc - Vce(sat) ] / Ic (sat) Rb = ( Ve - Vbe) / Ib (sat) OBS: Um BJT, quando saturado, apresenta um
Vce aproximado de 0,3 v e um valor mínimo deBeta entre 10 e 50, de modo geral (para o valorexato deve-se olhar o datasheet de cadatransistor).
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Exemplo 3:Exemplo 3:
O circuito abaixo é um driver para um LED. Deseja-se que oled seja acionado quando a chave estiver na posição ON edesacionado quando a chave estiver na posição OFF.
Parâmetros do transistor BC548: Vbe (sat) = 0,7 V Vce (sat) = 0,3 V Beta (sat) = 20 Ic(max) = 200 mA Vce(máx)=25 V Parametros do LED: Vd = 1,8 V (led vermelho) Id = 15 mA
Calcule os resistores Rb e Rc.
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Exemplo 4:Exemplo 4:
Um microcontrolador PIC16F877 precisa acionar um motor de 127volts/60Hz. Para tanto, é necessário que um transístor como chaveatue sobre um relê, já que nem o PIC, nem o transístor podem acionardiretamente este motor. A bobina do relê tem resistência DC de 80ohms.A corrente na bobina do relê, para um acionamento perfeito é
de 50mA.(a) Calcule o valor do resistor Rc de modo que o transistorfuncione com segurança; (b) Explique a função do resistor Rc;
(C) Explique a função do diodo D1; (d) calcule o valor do resistor Rb (na base);
Parâmetros do transistor 2N2222 Vbe(sat)=0,7V
Vce(sat)=0,3V Beta(sat)=10
Ic(max)=500mA Vce(max)=80V
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RelêRelê eletromecânicoeletromecânico
É um comutador mecânico,composto por uma bobina que, aoser percorrida por uma corrente, cria
um campo magnético que atrai aarmadura. Possui no mínimo 5terminais: 2 da bobina, um contato
comum, 1 contato NA (normalaberto) e um NF (normal fechado).
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Driver a RelêDriver a Relê
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Ligação do RelêLigação do Relê
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RelêRelê
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Driver a relêDriver a relêExemplo de esquema de driverExemplo de esquema de driverBoylestadBoylestad, p. 155, p. 155
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Transístor MosTransístor Mos--FetFet
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MosMos--FetFet tipo N e tipo Ptipo N e tipo P(intensificação ou HEX-FET)(intensificação ou HEX-FET)
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Diferença entre BJT eDiferença entre BJT e MosMos--FetFet
Qual é a principal diferença entre otransístor BJT e o transístor MOSFET ?
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Principal diferença é que...Principal diferença é que...
Um transistor BJT é controlado pelacorrente na base e um mos-fet écontrolado pela Tensão no gate !
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Transístores Mos FetTransístores Mos FetBoylestadBoylestad, p. 174 até p.204, p. 174 até p.204
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Tipos de MOS-FETTipos de MOS-FET
Em mecatrônica, para controle dechaveamento (ON-OFF) o mos-fetusado é o do tipo “intensificação”
também chamado HEX-fet. Ver livro: Boylestad, p. 190
Exemplos: IRF630, IRF640, IRLZ34N,IRLZ44, IRF720, IRZ34
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Tipos de transistoresTipos de transistores
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EmEm mecatrônicamecatrônica......
Nós usamos os transistores MOS-fet dotipo HEX-fet (ou “intensificação” )
Existem muitos outros tipos de
transístores mos-fet. Por exemplo: mos-fet de depleção, de porta-dupla,
JFET,etc. (ver Boylestad, p.174 até 204)
Entretanto,os outros tipos não se usampara corte e saturação (on-off).
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Associações de transistoresAssociações de transistores BoylestadBoylestad, p.431, p.431
Associação Darlington (“Super transistor”) O ganho (Hfe ou Beta) da associação é igual ao
produto do ganho de cada transistor
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Associação deAssociação de transístorestransístores
Associação par-realimentado Os dois transistores atuam como se fossem um
único PNP Multiplicam-se os Hfe Boylestad, p.431
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Transistor IGBTTransistor IGBT
Insulated Gate Bipolar Transistor Em português: transistor bipolar de
porta isolada - é um componente
semicondutor de potência, quepossui como principaiscaracterísticas: alta eficiência, rápidacomutação e facilidade deacionamento.
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IGBTIGBTAtenção: O símbolo à esquerda mostra o IGBT PNP e aAtenção: O símbolo à esquerda mostra o IGBT PNP e a
direita esta simbolizado um IGBT do tipo NPNdireita esta simbolizado um IGBT do tipo NPN
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IGBTIGBT
Trata-se de uma associação que inclui na entradaum mos-fet e na saída um transistor BJT;
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Curva típica IGBTCurva típica IGBT
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IGBT usado emIGBT usado em InversoresInversores dede FrequenciaFrequencia
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Aplicação típica de IGBTAplicação típica de IGBT
Controle de motores AC (inversor de frequência)
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IGBTIGBT
O IGBT alia as características de chaveamento dos
transistores bipolares com a alta impedância dos Mosfets. Assim, ele apresenta as facilidades de chaveamento dos
Fets, por ser acionado por tensão e não ter a dependênciade uma alta corrente de base para sua polarização;
Suporta maiores potências que os fets, assim comoapresenta uma baixa tensão de saturação.
Basicamente, o IGBT pode ser analizado como um mos-fetacionando um transistor bipolar.
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AULA 2AULA 2 - Drivers para Corrente- Drivers para CorrenteAlternadaAlternada
Em corrente alternada (AC)geralmente usam-se SCRs e Triacs. Transistores BJT, FETs e IGBTs não
são usados para controlar cargas emAC;
Os Tiristores (SCR e TRIAC) sãodiodos disparados pelo gate.
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SCR (SCR (Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier))
Retificador Controlado de Silício É um diodo cujo disparo é comandado pelo gate retifica apenas meia senóide Circuito equivalente com transistores:
SCR em corrente continua (DC)SCR em corrente continua (DC)
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( )( )Uma vez disparado, assim permanece, até que a tensão entre A eUma vez disparado, assim permanece, até que a tensão entre A e
K sejaK seja zeradazerada..
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SCR em corrente alternada (AC)SCR em corrente alternada (AC)
Usa-se para controlar o ângulo de disparo da
senóide Muito usado em ciruitos de “dimmer”, porém só
consegue meia senóide no máximo.
TRIAC (TRIAC (TiristorTiristor para Corrente Alternada)para Corrente Alternada)
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TRIAC (TRIAC (TiristorTiristor para Corrente Alternada)para Corrente Alternada)
Quase igual ao SCR, porém é bidirecional, conduzos dois semi-ciclos da senóide
Num “dimmer”, consegue de 0 até a Potência total
da carga; Usa-se o “diac” para se efetuar o disparo do triac.
DIAC (disparador para TRIAC)DIAC (disparador para TRIAC)
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DIAC (disparador para TRIAC)DIAC (disparador para TRIAC)
DiacDiac ((DiodeDiode forfor Alternating CurrentAlternating Current))
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(( gg ))
O DIAC é um disparador bidirecional, ou diodo queconduz corrente apenas após a tensão de disparoser atingida, e pára de conduzir quando a corrente
elétrica cai abaixo de um valor característico,chamada de corrente de corte. Este comportamento é o mesmo nas duas direções
de condução de corrente. A tensão de disparo é por volta dos 30 volts para a
maioria dos DIACs. Este comportamento é de certa forma similar,
porém mais precisamente controlado e ocorrendoem menor valor, ao comportamento de umalâmpada de neon.
O DIAC é normalmente usado para disparar TRIACse SCRs.
SenóideSenóide recortada pelorecortada pelo dimmerdimmer
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SenóideSenóide recortada pelorecortada pelo dimmer dimmer
TRIAC: Usado em relês de estado sólidoTRIAC: Usado em relês de estado sólido
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Para acionar o TRIAC, usa-se o opto-diac (exemplo:MOC3083)
Opto-Opto-diacdiac
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pp Elemento que serve para isolar eletricamente o Triac do
circuito de baixa tensão; De um lado tem um led, de outro tem um DIAC que é acionado
pela luz do led.
Exemplos: MOC3020, MOC3042, MOC3081, MOC3011, etc. Existem alguns modelos com “zero-crossing”
ReleRele de estado Sólidode estado Sólido
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Internamente, tem um TRIAC e um opto-diac
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Thank’sThank’s !!
FIM