eletronica de potencia unidades 1 e 2

1

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www.dee.ufc.br/~fantunes 1

Eletrônica de Potência

ProfessorFernando Antunes

Semestre 2007.1

Universidade Federal do Ceará



Programa da Disciplina• Unidade I – Introdução

– Objetivo, histórico e aplicações da Eletrônica de potência ;– Semicondutores de potência: diodos, Transistor Bipolar e Tiristores;– Classificação dos conversores estáticos;– Cálculo térmico.

• Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo– Retificadores monofásicos de meia onda;– Retificadores Monofásicos de onda completa.

• Unidade III – Retificadores Trifásicos não controlados– Retificadores em Meia Ponte e Ponte Completa;– Comutação

• Unidade IV – Retificadores Controlados Monofásicos e Trifásicos– Retificadores em Meia ponte e Ponte Completa;– Fator de potência– Comutação– Pontes mista

2



Programa da Disciplina• Unidade V – Transistor para Alta Freqüência

– MOSFET;– IGBT.

• Unidade VI – Conversores CC-CC Abaixadores e Elevadores– Principio de operação;– Regulador CC-CC Abaixador (Conversor Buck);– Regulador CC-CC Elevador (Conversor Boost);– Regulador CC-CC Abaixador / Elevador (Conversor Buck / Boost);– Operação com cargas RLE.

• Unidade VII – Conversores CC-CA– Estrutura Básica – VSI;– Principio de modulação por largura de pulso – PWM;– Estruturas monofásica– Estrutura trifásicas



Programa da Disciplina• Aulas de Laboratório

– Característica de chaveamento de diodos e tiristores;– Conversores ca-cc monofásicos a diodo;– Conversores ca-cc trifásicos a diodo;– Conversores ca-cc de monofásico controlado a tiristor;– Conversores ca-cc trifásico controlado a tiristor;– Conversores ca-cc de 12 pulsos;– Conversor Buck a MOSFET/IGBT;– Conversor Boost a MOSFET/IGBT;– Inversor monofásico;– Inversor trifásico .

3



Unidade I - Introdução

Definição de Eletrônica de Potência • É uma nova tecnologia que trata da aplicação de dispositivos

eletrônicos e componentes associadas para conversão, controle e condicionamento da energia elétrica;

• Controle da Energia Elétrica, meio usado para se obter controle de grandezas não elétricas como: velocidade de maquinas girantes, controles de temperatura de fornos, processo eletromecânicos, intensidades de iluminamento e etc.




Definição de Eletrônica de Potência • De uma maneira geral pode ser considerada como uma

tecnologia multidisciplinar que envolve:– Dispositivos Semicondutores de Potência;– Circuitos Conversores;– Máquinas Elétricas;– Teoria de Controle;– Microprocessadores;– Sistemas Elétricos.

4




Histórico

• Retificador a Arco de Mercúrio – inicio do século passado;• Estrutura Retificadoras – Anos 30;• Tiristor – Grande evolução:

• Laboratório Bell, 1956;• Comercializado pela GE, 1958;

• Anos 70 – diodos, Transistores de potência e GTO;• Anos 80 – MOSFET e IGBT;• Anos 90 – Encapsulamento de Potência.




Aplicações

• Fontes Estabilizadas• Controles de Motores• Equipamentos de soldagem• Veículos Elétricos • Tração Elétrica• Controle de Trânsito• Utilização de fontes não Convencionais de Energias• Utilização Aeroespacial• Carregadores de bateria• Alimentação de Emergência (UPS)• Sistema Elétricas de Potência

5




Conversores Estáticos

• Circuito projetados para processamento da energia;• Convertem energia elétrica da forma como é fornecida por

uma fonte, na forma requerida por uma carga;• Alto rendimento (99% em grandes conversores);• Usam semicondutores como chaves;• Estrutura formada basicamente por chaves, capacitores e

indutores.




Conversores Estáticos

• Conversores ca-cc (Retificadores)• Conversores cc-cc (Choppers e fontes cc chaveadas)• Conversores cc-ca (Inversores)• Conversores ca-ca (Chaves ca)

Vantagens : Espaço físicoResposta rápidaBaixa manutenção

Desvantagens : HarmônicosInterferências

6




• Idealmente possuem apenas dois estados: Apresentam completo bloqueio ou oferecem irrestrita condução àpassagem de corrente.

• Podem ser:– Diodos;– Tiristores;– Chaves controladas:

• BJT – 1kV, 300A, 20kHz, 200kVA;• MOSFET – 1kV, 100A, 50kHz;• IGBT – 3kV, 1kA, 20kHz, 3MVA;• MCT.• IGCT

Chaves Semicondutoras




Aplicações típicas da Eletrônica de Potência

0.1

1

10

100

1000

Cor

rent

e de

Con

duçã

o, A

10 100 1000 10 000Tensão de Bloqueio, V

HVDC

TRAÇÃOELÉTRICA

“BALLASTS” DEILU MINAÇÃO

ELETRÔNICAEMBARCADA

(AUTOMOTIVA)

FONTESCHAVEADA S

AUTOMAÇÃOINDUSTRIAL

ACIONA MENTODE MOTORES

7



Unidade I - IntroduçãoCaracterísticas Potência x Tensão

e Potência x Freqüência

103

104

10 5

10 6

10 7

102

103

104

MOSFET

TransistorBipolar

GTO

TiristorIGBT

VA

V

BJT

103

104

105

106

107

102 103 104

VA

Hz105

MOSFET

BJT IGBT

GTO



• Formam a base para o estudo dos diodos transistores e tiristores de potência.

• Cristal de Silício:– Pureza – em 10 átomos de silício há apenas um átomo estranho;– Isolante em baixas temperaturas;– Apresentam elétrons livres em altas temperaturas;– Condutividade natural à temperatura ambiente, cerca de 2 x 10 elétrons

livres(Buracos) por cm ;– Quando sujeito a campo elétrico os buracos movimentam se na direção do campo

comportando-se como portadores de carga positiva.


Junção PN

+4 +4 +4

+4 +4 +4

+4 +4 +4

Cristal de Silício e Elétrons de Valência

9

10

3

8




Dopagem

• Átomos estranhos substituem os de silício em varias posições da cadeia do cristal alterando enormemente a habilidade de condução do cristal. A dopagem não deve alterar a estrutura original do cristal.

+4 +4 +4

+4 +3 +4

+4 +4 +4

+4 +4 +4

+4 +5 +4

+4 +4 +4

Cristal Tipo N Cristal Tipo P




União do Cristal P com o Cristal N• Na junção os elétrons do cristal N se difundem no cristal P

ocupando os buracos formando uma região de depleção na junção.

• Campo elétrico na junção:– Fica mais forte à medida que mais cargas atravessam a junção;– Atrasa o processo de formação da camada de depleção;– Age no sentido de empurrar os elétrons na região de depleção de volta

para a camada N.

++

+

+

+

--

-

-

-

P N

Camada de depleção

9




• Junção PN inversamente polarizada– Aumento da camada de depleção;– Ausência de portadores majoritários na junção;– Tensão reversa máxima é determinada pela

camada de depleção.

• Junção PN diretamente polarizada– Portadores majoritários saturam a junção;– Colapso de camada de depleção – cristal conduz;– Condutividade consideravelmente menor que dos

metais;– Perdas causam aquecimento excessivo para o

tamanho do cristal.

União do Cristal P com o Cristal N

p

n

-

+

p

n

+

-

Reversamente Polarizada

Diretamente Polarizada




Diodo de Potência

• Região de arrasto:– Camada n- não é encontrada nos diodos se

sinal;– Estabelece a tensão reversa máxima

suportada pelo diodo;– Alta resistividade devido à baixa dopagem;– Onde se estabelece a camada de depleção– Resistividade reduz quando em polarização

direta devido à saturação da região por portadores majoritários;

– Esta modulação da condutividade reduz bastante a perda por condução.

Anodo

Catodo

n+

Regiãon-

p+

dearrasto

Nd=1019cm-3

Nd=10 14cm-3

Nd=119cm-3 10µ

250µm

m

Seção Transversal de um Diodo de Potência

10




Característica V x I de um diodo de potencia

• Com altas correntes a característica ôhmica mascara a exponencial;• Quando polarizado inversamente, apenas uma pequena corrente de

fuga circula;• Requer tempo finito para mudar estado bloqueio / condução;• Tempo de transição e formas de ondas são afetadas pela

caracteristica intrínseca do diodo.

D

A K0 ,7 V

V R M-

i

v



Característica de chaveamento de um diodo de potencia


Circuito para análise na característica de chaveamento do diodo de potência

Cargaindutiva

circuitode base

+

-

V C

I

Ic

0D

11




Característica de chaveamento de um diodo de potencia

• Condução:– Remoção da carga armazenada na camada de

depleção com o aumento da condução. Camada de depleção ainda presente, queda ôhmica na região de arrasto e indutâncias presentes no circuito são causas da sobretensão;

– Saturação da junção (Neutralização da camada de depleção) e da região de arrasto e estabelecimento da corrente e regime fazem a tensão cair para Von.

Von

i(t)

v(t)

t

t

t 1 t 2

t 3 t 4 t 5

t rr

I

V

Irr

0

Q rr

t1

t2



Unidade I - IntroduçãoCaracterística de chaveamento de um diodo de potencia

• Bloqueio:– A carga em excesso na região de arrasto

passa a ser removida por recombinação e arrasto. Cessada a recombinação i(t) reduz a zero;

– Fluxo de minoritários na formação da camada de depleção inverte i(t). As junções p n n n permanecem polarizadas diretamente devido excesso de portadores nas junções;

– Retirados os portadores em excesso da junção, esta polariza inversamente e logo adquire substancial valor negativo. Os minoritários passam a ter crescimento negativo reduzindo a corrente reversa a zero.

Von

i(t)

v(t)

t

t

t 1 t 2

t 3 t 4 t 5

t rr

I

V

Irr

0

Q rr

t3

t4

t5

+ +- -

12




Transistor de potência

• Nível de dopagem influencia as características do dispositivos;• Região de arrasto possui dopagem leve e determina a tensão de

ruptura do transistor;• A espessura da base é feita menor possível, para maior ganho

de corrente;• Uma menor espessura de base limita a tensão reversa máxima

que pode ser aplicada ao transistor.

Emissor

Coletor

n+

n-

p

Nd=1019cm-3

Nd=1014cm-3

Nd=1016cm-3

Base

n+Nd=1019cm-3

5−20µ

50−200µ

250µ

10µm

m

m

m

Ic

C

E

B Ic

C

E

B

NPN PNP




Transistor de potênciaJunções PNP e NPN

• Emissor – cristal de alta dopagem;• Base – cristal de media dopagem;• Coletor - cristal de alta dopagem.

• Processo de condução:– Pequena corrente é introduzida na base através de circuito de controle;– Algumas cargas alcançam a camada de depleção (ausente de carga)

coletor-base e são arrastados para o circuito externo através do coletor, iniciando se uma condução;

– A corrente de base satura a junção coletor-base tornando o transistor condutor;

– Para um certo valor de corrente de base o transistor comporta-se como uma chave fechada, para corrente de base nula comporta-se com uma alta resistência .

pnp

13



Introdução – Transistor NPN

• Condução no transistor NPN (O mais usado):

• Inicio de condução - os elétrons fluem do emissor para base (sentido real de corrente).

• A grande maioria dos elétrons atingem a camada de depleção base-coletor(inversamente polarizada).

• O campo elétrico da tensão de polarização externa atrai os elétrons para camada de depleção, saturando-a.

• Inicia-se um fluxo de elétrons no sentido emissor coletor, isto é corrente elétrica no sentido coletor emissor.

+

-Emissor

Coletor

Base np

n




• Vsus: tensão máxima emissor-coletor quando o dispositivo esta conduzindo;

• Ruptura primária: avalanche convencional na junção;

• Ruptura secundária: alta dissipação de potência em pontos localizados no cristal

Característica V x I do transistor de potência

I C

VCE

saturaçãoplena

quasi-saturação

I B0

I B1

I B2

I B3

I B4

0

IB=0

secundáriaruptura

Vsus

primáriaruptura

VBCE0

+

-Emissor

Coletor

Base

n

p

n

n-

14




Característica de chaveamento de um transistor de potência

Circuito para análise na característica de chaveamento do transistor bipolar

Cargaindutiva

circuitode base

+

-

V C

I

Ic

0D




• Condução:– Inicio do processo de retirada da

camada de depleção. Vce não éalterada;

– Vce na se altera pois o diodo em paralelo com a carga esta conduzindo;

– O diodo em paralelo deixa de conduzir;

– O ganho do transistor diminui reduzindo a taxa de queda de Vce.


td(on)

tstf1tf2

iB(t)

vBE(t)

iC(t)

vCE(t)Vd

VBE(off)

VBE(on)

IB(on)

t

VCE(sat)

I

t

t

tsd(on)

0

0

0

0

t=0 t f1 t f2

0

tt

15





• Bloqueio:– Para bloquear um transistor tem se que remover toda carga armazenada na

junção;– Após ts o transistor deixa a região de saturação e passa a de quase

saturação;– Redução de carga na região de arrasto

Vd

VBE(off)

VBE(on)

B(on)

t

VCE(sat)

I

t

t

tts td(on)

0

0

0

0

B(t)

BE(t)

C(t)

CE(t)

t=0t f2 t f1

0i

v

Ii

v




• Também chamado de SCR;• Mais antigo dispositivo de potência em estado sólido• É um dispositivo de quatro camadas

Tiristorgatilho

Anodo

n-

p

14cm

-3

catodo

1019

cm-3

n+

p

p+ 1019

cm-3

1017

cm-3

1017

-5 x 10

1017

cm-3

30-50

1019

cm-3

n+ 10 m

30 - 100

50 - 1000

30-50 Anodo

gatilho

catodo

(a)(b)

µ

mµ

mµ

mµ

mµ p n

+

-

p

n +

Anodo

Catodo

Gatilho

J1

J2

J3

16




• NPN inicia a condução;• Circula corrente pela junção base-emissor do transistor PNP;• Há uma realimentação positiva;• Corrente através do dispositivo é autosustentada.

Junções PNPN

pn

+

-

p

Anodo

Catodo

Gatilhonp

n

C

E

B

B

E

C

a

g

k

v ak

vgk




Junções PNPN

• J1 e J3 são polarizadas diretamente e J2 inversamente;

• A ação dos dois emissores saturam a junção J2;

• A camada n absorve a camada de depleção;

• Logo J2 determina a tensão máxima aplicável ao tiristor.

p n

+

-

p

n +

Anodo

Catodo

Gatilho

J1

J2

J3

17




Característica V x I de um tiristor

• Sob tensão inversa o tiristor comporta-se similarmente a um diodo polarizado inversamente, que conduz pouca corrente até que avalanche ocorra.

• A região de alta tensão e baixa corrente é a região de bloqueio em polarização direta

A

AK

Estado de condução direta

g=0g>0IH

IB0

VH VB0

VRMEstado de bloqueio

em polarização direta

-

v

ii

i




Característica de chaveamento

• Condução:– Durante td(on) a corrente de

gatilho injeta portadores na camada p2;

– Condução inicia se em torno de gatilho devido excesso de portadores na região;

– Excesso de portadores na região do gatilho reduz sensivelmente a capacidade de bloqueio do tiristor;

iK (t)=0

vAK(t)=0

I0

i g(t)=0

di/dt

t

t

ttd(on)

– di/dt em torno do gatilho pode ter efeito destruidor;– Finalmente o plama se espalha por toda secção transversal do tiristor;– Grande quantidade de energia liberada nas adjacências do gatilho;– Deve se controlar a taxa de crescimento da corrente de anodo.

18





• Bloqueio:– Bloquear um tiristor requer a aplicação de uma tensão negativa entre

anodo e catodo por um período de tempo mínimo;– Processo similar ao de um diodo;– Dispositivo bloqueia quando J1 ou J3 ficar inversamente polarizada.

• Condução acidental do tiristor:– O tempo que o tiristor é mantido sob tensão reversa deve ser

suficientemente longo para garantir um real bloqueio;– A taxa de crescimento dv/dt da tensão de polarização direta deve ser

mantida abaixo de um Máximo valor especificado pelo fabricante.




• Metal Oxide SemiconductorFiel- Effect Transistor;

• Acionados por tensão;• Operam em altas freqüências.

Transistor MOSFET

S

D

G

n +

p

Canal Tipo n

n +----------

D

++++++----------

19




MOSFET Tipo e característica de condução

• Essencialmente resistivo em condução;• Resistência de condução relativamente alta.

D

S

G

I D

V DS

V GS =12V

V GS =7V

V GS =5V

V GS =3V

I D

V DS

(a) (b)





Capacitâncias parasitas

D

S

G

ID

C GD

C GS

C DS

D

S

G

CGD

CGS

I0

VD

D

RDR

VDR

F

Modelo para análise de chaveamento

20





vGS (t)

iG

(t)

t

VDR

VGS,Io

Vth

t

iG

(t)

vDS (t)

VD

VDS(ON)

Io

vDS (t)

VdIo

iD

(t)

Vth

vGS (t)

VGS,Io

iG

(t)

0

0 t

t

VDR

Forma de onda durante o bloqueio

Forma de onda durante a condução




• Transistor Bipolar de Gatilho Isolado;• Atuação rápida (transitório efeito de campo);• Alta capacidade de potência (Transistor Bi-polar);• Controle por tensão;

IGBT

21



Unidade I - IntroduçãoCaracterística I-V

VGS-1

VGS-3

VGS-4

VGS-2

VRM

VnsS





Formas de onda da Corrente e da Tensão noIGBT em Condução

22





Formas de onda da Corrente e da Tensão noIGBT em Bloqueio




Futuro das chaves• Dispositivos a base de carbono de silício;• Suportam altos gradientes de tensão;• Reduzida queda de tensão em condução.

Evolução

23




Especificação de chaves semicondutoras

• Corrente média de condução direta, Id– Valor médio da corrente que o dispositivo pode conduzir

continuamente repetidas as condiçoes de resfriamento.• Corrente eficaz de condução direta, Irms

– Valor máximo permitido para corrente eficaz. Isto limita a potência máxima dissipada devido i².R.

• Corrente de pico repetitiva, Ifrm– Valor máximo da corrente que pode ser aplicada repetitivamente,

geralmente é especificada para um pico a cada meia senoide.• Corrente de pico não repetitiva, Ifsm

– Valor máximo da corrente que pode ser aplicada, a repetição épermitida apenas após um intervalo de tempo que permita resfriar a junção.




Especificação de chaves semicondutoras

• Tensão de pico inversa, Vrpm– Valor instantâneo de tensão máxima permitida da direção positiva ou

negativa do dispositivo.

• Queda de tensão em condução direta, Vf– Queda de tensão apresentada pelo dispositivo quando em condução

direta.

• Temperatura da junção, Tj(max)– Valor máximo de temperatura que o dispositivo pode operar, acima

deste valor o dispositivo pode danificar se por avalanche térmica.

24




Perdas e Cálculo Térmico

• A perda total de um dispositivo é dada por:– Perda durante a condução;– Perda no chaveamento;– Perda no estado de bloqueio.

• Estas perdas que se transforma em calor, devem ser liberadas par ao meio ambiente, caso contrário a temperatura da junção se elava acima do limite permitido, provocando destruição de dispositivo.

• A elevação de temperatura na junção provoca mudanças químicas e metálicas no dispositivos. Estas mudanças variam exponencialmente com a temperatura.



a i rd Eo k


Perda durante a conduçãoSeja uma junção de um dispositivo qualquer, aqui representada por um diodo

Para não danificar o semicondutor, Pon deve ser transferida para o ambiente. Como que esta potência é transferida?

meddefon

T

o

T

odon

T

odon

d

T

oon

iEriP

dtiET

dtriT

P

dtEiriT

P

Eirv

dtivT

P

02

02

0

0

..11

)(1

.1

+=

+=

+=

+=

=

∫ ∫

∫

∫

25




Perdas nos dispositivos semicondutores

• Quando duas superfícies sólidas paralelas a temperaturas uniformes, Tj e To, são justapostas, uma certa quantidade de calor Q (joules/s-m²) fluirá por unidade de área da superfície de maior temperatura (Tj) para a de menor temperatura (To).

Q = 1/K (Tj - To) [Joules/s-m²]

• No caso de um dispositivo semicondutor, a corrente através da junção inversamente polarizada produz calor quando os portadores majoritários perdem energia ao atravessar a barreira de potencial. A energia elétrica na junção se transforma em energia térmica no cristal.




• A potência dissipada na junção por segundo fluirá para o ambiente segundo a equação abaixo:

Pon = 1/Rja (Tj - Ta) [joules/s]- Tj – Temperatura na junção- Tj – Temperatura ambiente- Rja – resistência térmica entra a junção e o ambiente

• Fazendo se uma analogia com um circuito elétrico:


Quando o semicondutor não estáconduzindo, Pon = 0, logo Tj=Ta. A temperatura da junção se eleva acima da ambiente e há um fluxo de calor para o ambiente. Quando menor Rja, menor será ΛT0°C

Ta

RjaPon

26





• Para uma certa resistência térmica Rja e temperatura ambiente Ta, há uma máxima potência Pon que pode ser dissipada, Pon

max. sem que se exceda à máxima temperatura admissível na junção, Tjmax.

• Desprezando se a influência da resistência interna.Pon = I.Von

Pon max

Pon 1 > Pon max

Von

I




Hipérbole de dissipação de potência

• Para a temperatura ambiente Ta, qualquer combinação de Von e I que fique de Pon max não danificará o dispositivo.

• Um ventilador ou qualquer refrigeração que venha a reduzir a temperatura ambiente Ta nas proximidades do dispositivo, uma potência Pon 1 maior que Pon max pode ser dissipada sem risco para p dispositivo.

Pon max

Pon 1 > Pon max

Von

I

0°C

Ta

RjaPon

27




Dissipação do calor

• Falha na operação de um dispositivo semicondutor está, quase que sempre, ligada à elevação de temperatura do dispositivo.

• O fabricante normalmente especifica a máxima temperatura para a junção, mesmo nos piores transitórios.

• A dissipação de calor nos semicondutores está diretamente ligada aos trocadores de calor.

• Um trocador de calor é um metal irradiador de calor projetado para retirar do dispositivo o excesso de calor por convecção.

• O calor flui da junção para a carcaça do semicondutor, da carcaça para o trocador de calor através de uma pasta térmica, e do trocador de calor para o ambiente.




• A transferência de calor pode ser representada pelo circuito elétrica ao lado.

• A temperatura da junção dependeráda potência dissipada e das resistências térmicas associadas ao dispositivos.

• Um cálculo adequando do trocador de calor permitirá ao projetista determinar a máxima potência que poderá ser dissipada pelo dispositivo, e, ainda conservar a temperatura máxima na junção a baixo de um valor escolhido

Dissipação do calor

chjcjaha

hachjcja

onjaaj

RRRR

RRRR

PRTT

−−=

++=

=− .

Rjc

Rch

0°C

Ta

Rha

Pon

Rja

28



Unidade II – Retificadores Monofásicos a Diodo

• Um circuito retificador converte um sinal em corrente alternada em um unidirecional, isto é, converte uma tensão ca em cc.

ca ccsaída nível cc

ripple

=




• Retifica apenas um ciclo da tensão alternada.

• São os mais simples pois possuem apenas um diodo.

• O ripple da tensão de saída éalto, na freqüência da entrada.

• Apresenta uma componente ccna alimentação que o torna de pouco uso prático.

• Resumida aplicação em pequenas potências (celulares,computadores).

w t

w t

w t

w t

v ( t )

i ( t )

vD ( t )

2 VR

vo ( t )

v(t)= 2V sen(wt)

V2

R

D i(t)

v(t) vo

Carga Puramente Resistiva

29




Carga Puramente Resistiva

• Para uma tensão de alimentação

) sen(2 tVv ω=

• Tensão média na carga

VV

VwtVV

wtVsenwtdV

45.0

2)cos(22

)(221

0

0

0

00

=

=−=

= ∫

ππ

ππ

π

• Valor eficaz da Tensão na carga

2/1

0

220 ])()2(

21[ ∫=

π

πwtwtdsenVV ef

VV ef 707,00 =




Carga Puramente ResistivaSimulação no OrCad V1FREQ = 60

VAMPL = 60

D1

0

R1

12

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30msV(R1:2) V(D1:2,D1:1) -I(R1)*5

-40

0

40

80

Corrente na Carga

Tensão na Carga Tensão no diodo

30




Carga Indutiva

• Os retificadores são raramente usados com carga puramente resistiva.

• Devido à presença da carga indutiva a condução no diodo continua para ωt>1800 até que a corrente caia a zero.

• Se se supõe que a carga é uma indutância pura, o diodo conduzirádurante os 3600, o que resultaria numa tensão média igual a zero. No caso real para R e L finitos a condução será descontínua. β

wt

wt

wt

v(t)

vD(t)

2 V

vo(t) v

i

2ππ

D

v(t)

v(t)= 2 V sen(wt)

i(t)

R

L

vo




Carga Indutiva

i(t)

wt

i t

i = +ip it

it

ip Componente permanente

Componente transitoria

π βφ

v(t)

ip

RidtdiLwtV +=sen2

)sen(222

φω −+

= tXR

V

Lpi

ei t

t K τ/−=

( )τφt

L

KewtXR

Vi−

−−+

= )sen(2

21

22

( )⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−

+=

−τφφt

L

ewtXR

Vi )sen()sen(2

21

22

Composição da corrente de carga:•Componente contínua, it•Componente alternada, ip

D

v(t)

v(t)= 2 V sen(wt)

i(t)

R

L

vo

31




Carga Indutiva• Valor de tensão na saída dependente da carga.• Apresenta um valor menor que para uma carga resistiva.

[ ])cos(12)cos(22

)(sen221

0

0

00

φπππ

πφπ

φπ

+−=−=

=

+

+

∫

VwtVV

wtwtdVV

• A tensão média de saída, V0 pode ser independente da carga se o ângulo φ for feito igual a zero.

• Isto é possível através do uso de um diodo em paralelo com a carga




0

D1

R1

12V3FREQ = 60VAMPL = 60

L2

70mH

1

2

Carga IndutivaSimulação no OrCad

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30msV(R1:2) -I(R1)*10

-100

0

100

Corrente na Carga

Tensão na Carga

32




Carga Indutiva com Diodo de roda livre

D

v(t)

i(t)

R

L

1

D2

) t sen(V2v(t) ω=

D

v(t)

i(t)

R

L

1

D2

D

v(t)R

L

1

D2

wt

wt

wt

v(t)

v0 (t)

wt

i0(t)

i0(t)continua

descontinua

V2

i0(t)

i0(t)

• Presença do diodo de roda livre:– caminho para a corrente de carga no ciclo negativo da tensão da

fonte.– tensão de saída independente da carga.




Carga Indutiva com Diodo de roda livreD

v(t)

i(t)

R

L

1

D2

) t sen(V2v(t) ω=

wt

wt

wt

(t)

2 V

vo (t)

2ππ

β

i0(t)

vD1

• Tensão de saída independente da carga:

V0=0,45V• Possibilidade de continuidade de

corrente na carga

Vantagens

33




D2

R1

12

0

D1

V3FREQ = 60VAMPL = 60

L2

70mH

1

2


Simulação no OrCad

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20msV(R1:2) -I(R1)*10

0

20

40

60Tensão na Carga

Corrente na Carga





Simulação no OrCadD2

R1

6

0

D1


L2

15mH

1

2

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20msV(R1:2) -I(R1)*10

0

40

80

Tensão na Carga

Corrente na Carga

34





Simulação no OrCadD2

R1

6

0

D1


L2

700mH

1

2

Time

32ms 36ms 40ms 44ms 48ms 52ms 56ms 60ms 64msV(R1:2) -I(R1)*10

-40

0

40

80

Corrente na Carga

Tensão na Carga




Analise ca• Usando-se um transformador para casamento de tensão.• Tensão na saída do retificador é ideal (Ripple na corrente de carga

desprezível).• A fonte de tensão ca é um barramento infinito.

v(t)

Di

R

L

12

I0i1

N Np s D 2

Cargav(t)

35




Analise ca

• Potência consumida pela carga (ativa):

P0=V0*I0• Corrente eficaz no secundário

do transformador: I0

i 2

iD

i 2 c a

i 1 c a

I2 c c

F

I0

I0

v(t)

i

R

L

12

I0i1

N Vp 2 D2 V 0

( )2

II21I 0

21

0

20

2

ef2 =⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ∫

π

π

• Potência aparente no secundário será:

S=V2*I2ef

000

ef222 P57,12

I45,0

VIVS =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛==




Analise ca• Corrente eficaz no primário do

transformador:

I0

i 2

iD

i 2 c a

i 1 c a

I2 c c

F

I0

I0

v(t)

i

R

L

12

I0i1

N Vp 2 D2 V0

2I

2I

21I 0

21

0

20

2

ef1 =⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= ∫

π

π

• Potência aparente no primário será:

000

ef111 P17,12I

45,0VIVS =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛==

• S1=1,11P0

• S2=1,57P0

36




Analise • Simples construção e baixo custo;• Mínimo número de componentes;• Tensão de saída contém uma componente de ripple na frequência de alimentação, o que torna a filtragem mais difícil;• A corrente de entrada (ca) possui uma componente em corrente contínua (cc), que torna o retificador impraticável quando necessita-se de transformador;• Sua aplicação é aceitável em equipamentos de pequena potência e baixa tensão como: fontes para notebooks, celulares, etc;• Aplicável também a carregadores de bateria e equipamentos portáteis.




• Os diodos conectam a carga à fonte em ambos os ciclos positivo e negativo.

• A retificação se dá para os dois semi-períodos da tensão de entrada.

• A tensão de saída não apresenta uma componente cc.• Apresentam-se de duas formas :

Retificadores Monofásicos de Onda Completa

D1 V

+

-D2

0

Vp

V

V

D 1

D 2 D 4

D 3 L

Rv(t)

i

V0

+

-

i s

0

Ponto Médio Em Ponte

37




• Ideal para altas correntes e baixa tensão.

• Os diodos estão submetidos àtensão total do enrolamento quando não em condução.

• Apresenta valores médio e eficaz da tensão de saída de:

Retificador com Ponto Médio

wt

wt

v(t)

2 V

v0 (t)

wt

2 V2

vD2 v D1

vD

D1 V+

-D2

0Vp

V

V

V9,0)wt(wtdsenV21V0

0 =π

= ∫π

V)wt(wtdsen)V2(1V21

0

22ef0 =⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡

π= ∫

π




• A carga como uma fonte de corrente.• Corrente eficaz no secundário:

• Potência aparente em um enrolamento secundário:

• Trafo com potência total 57% maior que a carga;

• Não existe componente continua no secundário;

• Menos harmônico na corrente.

Retificador com Ponto Médio - Comportamento do trafo.

D1 I

D2

0Vp

V

V

sefsssTR

sefsefssefs

iVPPPP

iViVPiVP

0121

00

11

57,12

785,0707,09,0

.

==+=

=•=∴=

I 0

i 0

I p

i d1

i d2

00

201 707,0

21 IidwtIii SefefdSef =→== ∫

π

π

38




Retificador com Ponto MédioD1

D2

0


0

R1

12


Time

0s 5ms 10ms 15ms 20msV(D1:2) -I(R1)*5

0

20

40

60

corrente na carga

tensão na carga




Retificador Monofásico em Ponte

• Dispensa o uso do transformador.• Os diodos estão submetidos à

tensão total do enrolamento quando não em condução.

V9,0)wt(wtdsenV21V0

0 =π

= ∫π

D1

D 2 D 4

D 3 L

Rv(t)

i

V0

+

-

i s 0

wt

wt

v(t)2V

wt

i

is

0

v0

tsenV2)t(v ω=

Formas de OndaCircuito em Ponte

Diodos em condução

D1 D4 D2 D3

39




Retificador Monofásico em Ponte• Há um melhor aproveitamento

do transformador

I 0

i 0

i2

I 0

i 1

D1

D2 D4

D3

V1

i

v0

+

-

i2

0

i1

V2

000

ef1121 P 1,1I9,0

VIVSS =⎟⎠⎞

⎜⎝⎛===

• S1=1,11P0

• S2=1,11P0

0ef1ef2 III ==




Retificador Monofásico em PonteParâmetros de avaliação de desempenho

• Valor eficaz da componente alternada da tensão de saída é:

• O fator de forma:

• Fator de ripple:

• Fator de utilização do transformador:

V V Vca ef= −2

02

V V Vca ef= −2

02

FFVV

ef=0

11 22

0

−=−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=→ FF

VV

FR efFRVV

ca=0

FTP

V Is s= 0

40




D1

0

D3

D4

R1

12D2



V V Vca ef= −2

02

Time

0s 5ms 10ms 15ms 20ms-I(R1)*5 V(D1:2,D2:1)

0

20

40

60

Corrente na Carga

Tensão na Carga




D3

L1

70mH

1

2

D1 R1

12

D4D2

0



V V Vca ef= −2

02

Time

32ms 36ms 40ms 44ms 48ms 52ms 56ms 60ms 64msV(D3:2,D2:1) -I(R1)*5

0

20

40

60Tensão na Carga

Corrente na Carga

41





V V Vca ef= −2

02

0

V1FREQ = 60VAMPL = 60 C1

10m

R1

1200

D3

D2

D1

D4

Time

0s 10ms 20ms 30ms 40ms 50ms 60msV(R1:2,D2:1) -I(R1)*100

0

20

40

60

Corrente na Carga

Tensão na Carga

eletronica de potencia unidades 1 e 2

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