Cap 1

Eletrônica Industrial para
Automação
Introdução
1) Classificação de conversores
2) Conceitos de eletrônica de potência
3) Chaves eletrônicas
4) Exercícios
5) Cálculos de potência
Prof. Dr. Marcos Lajovic Carneiro
Eletrônica de Potência
Circuitos de eletrônica de potência
Conversão de energia de uma forma para outra usando dispositivos eletrônicos.
- Dispositivos eletrônicos utilizados como chave.
- Controle de corrente e tensão.
- Processamento de potência de miliwatts até megawatts.
Projeto de equipamentos de conversão  interdisciplinar
- Teoria de circuitos
- Eletrônica
- Eletromagnetismo
- Microprocessadores (circuitos de controle)
- Transferencia de calor
1) Classificação de conversores
Entrada ac / saída dc  Ex: 220V AC para 19V DC
(retificador)
Interface
entre fonte
e carga
Entrada dc / saída ac  Ex: 12V DC para 220V AC
(inversor)
Entrada dc / saída dc  Ex: 12V para 5V
Entrada ac / saída ac  Ex: Dimerização de luz, controle de velocidade
de motor de indução.
1) Classificação de conversores
Classificação dos conversores:
- A direção do fluxo de potência (principalmente)
- Formato da onda de tensão
1) Classificação de conversores
Dois ou mais conversores podem ser usados em um
processo com múltiplas etapas
1) Classificação de conversores
Conversor DC-DC básico (e ineficiente):
Divisor de tensão
• Criando fonte de 3V a partir de uma de 9V.
2 vezes mais potência é dissipada na
resistência 2.RL do que na carga RL desejada
• Eficiência de 33.3%
• 66.6% de perda em calor
• Se a carga RL mudar a
tensão sobre ela também
muda.
• Ajuste necessário em 2.RL
• Possível uso de um
transistor como
resistência variável.
Porém, o problema de
baixa eficiência
permanece.
Conversor DC-DC chaveado
Chave ideal
• Fechada = curto
• Aberta = circuito aberto
Potência consumida na chave
P=V.i
Tensão instantânea na carga
Chave aberta: i= 0 P=0
Chave fechada: V=0 P=0
Potência consumida na chave = 0
Toda potência é dissipada na carga
Eficiência = 100%
Tensão média
na carga
Inserindo um filtro passa-baixa para remover todos os
harmônicos, deixando passar apenas a tensão dc (média)
A saída é então puramente dc para um filtro ideal
Filtro Ideal
Eficiência 100%
Filtro real
Eficiência por volta de 90%
Domínio
do tempo
Domínio da
frequência
Domínio da
frequência
Filtro
passa
baixa
Domínio
do tempo
Inserindo um filtro passa-baixa para remover todos os
harmônicos, deixando passar apenas a tensão dc (média)
A saída é então puramente dc para um filtro ideal
Redução do tamanho e peso do filtro:
• Redução do tamanho dos componentes
• Aumento da frequência de chaveamento
O controle do chaveamento pode compensar
variações em Vs e regular a saída
Revisão/Resumo – Espectro de potência e
transformada de Fourier
•
Osciloscópio: uma ferramenta comumente usada para visualizar sinais no
domínio do tempo.
•
Analisador de espectro: uma ferramenta usada para visualizar sinais no
domínio da frequência.
Um gráfico no domínio do tempo mostra como um sinal varia ao longo do tempo;
em contraste, um gráfico no domínio da frequência, comumente chamado de
espectro de frequências, mostra quanto do sinal reside em cada faixa de
frequência.
Revisão/Resumo – Espectro de potência e
transformada de Fourier
Onda quadrada no
domínio do tempo
Transformada direta de Fourier
Onda quadrada no
domínio da frequência
Transformada inversa de Fourier
Toda onda periódica pode ser escrita como uma série de senos e cossenos:
f(x) = a0+ a1 sen(x) +a2 sen(2x) +a3 sen(3x)+ ... + b1 cos(x) + b2 cos(2x) + ...
Onda quadrada escrita como uma série de senóides (Transformada direta de Fourier da onda quadrada):
f(x) = 1/2 + (2) sen(x) + (2/(3)) sen(3x) + (2/(5)) sen(5x) + (2/(7)) sen(7x) + ...
http://www.seara.ufc.br/tintim/matematica/fourier/fourier5.htm
Revisão/Resumo – Espectro de potência e
transformada de Fourier
Onda quadrada no domínio da frequência
A1
Ao
A2
A3
A4
A5
f(x) = 1/2 + (2) sen(x) + (2/(3)) sen(3x) + (2/(5)) sen(5x) + (2/(7)) sen(7x) + ...
http://www.seara.ufc.br/tintim/matematica/fourier/fourier5.htm
Revisão/Resumo – Espectro de potência e
transformada de Fourier
Uma função pode ser convertida do domínio do tempo para o domínio da
frequência através de um operador matemático chamado genericamente de
transformada integral.
Um exemplo é a transformada de Fourier, que decompõe uma função na
soma de um número (potencialmente infinito) de componentes senoidais,
produzindo um espectro de frequências.
A transformada inversa correspondente converte esse espectro de volta para
o domínio do tempo, ou seja, para a função original.
*Existem ainda transformadas que permitem a conversão para um domínio misto do
tempo e da frequência ao mesmo tempo, como é o caso da transformada de wavelet.
Outros exemplos: Tranformada de Laplace, Transformada Z, …
Revisão/Resumo – Espectro de potência e
transformada de Fourier
Domínio do tempo
Domínio da frequência
Chaves Eletrônicas
Diodos
• A mais simples das chaves
• Não pode ser controlada
Características importantes de projeto:
-
Tempo de recuperação  frequência máxima de funcionamento
Corrente máxima
Tensão de limiar (dependendo da aplicação)
Característica real
Característica ideal
Diodos
Corrente reversa de recuperação
Corrente negativa durante o chaveamento de ligado para desligado
Tempo de recuperação reverso
Normalmente: trr < 1us
Importante para aplicações de alta frequência
Diodos
Diodo de rápida recuperação
• Menores trr
• Aplicações de alta frequência
• Material: Carbeto de silício (SiC)
Diodo Schottky
•
•
•
•
•
•
Junção metal-silício
Queda de tensão: 0,3 V
Aplicações de baixa tensão
Tensão reversa em torno de 100V
Chaveamento mais rápido
Sem o transitório de recuperação
Diodo Comum
• Junção P-N (silício dos dois lados)
• Queda de tensão: 0,7 V
Tiristores
• Aplicações que necessitam
do controle da chave de
aberto para fechado
CONTROLE
OFF  ON
• Familia de dispositivos com 3 terminais:
• SCR – Retificador controlado de silício
• Triac
• GTO – Gate turnoff thyristor
• MCT – Tiristor controlado MOS
• Outros …..
Utilizado para altas correntes e tensões.
Tiristores
SCR – Retificador controlado de silício
• Terminais: Anodo (A), Catodo (K) e Porta (G)
Disparo - etapas:
1°) Tensão entre anodo e catodo.
2°) Corrente entrando no gate
Depois de disparado, a corrente do gate pode
ser retirada que ele continua a conduzir.
Necessida de apenas um pulso de corrente
para conduzir
Conduz enquanto:
• Corrente é positiva e acima de um nível
mínimo.
Tiristores
GTO – Gate TurnOff thyristor
• Terminais: Anodo (A), Catodo (K) e Porta (G)
Disparo - etapas:
1°) Tensão entre anodo e catodo.
2°) Corrente entrando no gate
Depois de disparado a corrente do gate pode
ser retirada que ele continua a conduzir.
Necessida de apenas um pulso de corrente
para conduzir
MUITO GRANDE!
Condução pode ser interrompida
• Pulso de corrente (micro-segundos) saindo
do gate interrompe a condução.
• Pulso de corrente da ordem de 1/3 da
corrente entre anodo e catodo.
Tiristores
TRIAC
• Capaz de conduzir nos dois sentidos
• Funcionalidade igual a de dois SCRs ligados em
paralelo e em sentidos contrários.
• Muito usado para dimerizar luzes. Controle do
ciclo positivo e negativo da senoide de tensão.
Tiristores
MCT – MOS-CONTROLED THYRISTOR
• Funcionamento equivalente ao do GTO porém
sem necessidade de alta corrente de
desligamento.
• Formado por um SCR e dois MOSFETs
integrados no mesmo dispositivo
• Um MOSFET liga o SCR e outro desliga o SCR.
• Condução disparada por uma tensão
adequada entre Gate e Catodo (ao contrário
do uso de corrente no GTO)
Atividades
• Ler capítulo 1 – Hart
• Baixar PSPICE
TRANSISTORES
Em aplicações de eletrônica de potência são usados em dois estados:
- Completamente aberto
- Completamente fechado
* Não são utilizados como amplificador linear
Ao contrário do diodo, estados ON e OFF são controlados.
Tipos de Transistores:
- MOSFET
- Transistor bipolar de junção (BJT)
- Dispositivos hibridos: IGBT – transistor bipolar de junção de gate isolado
MOSFET
•
•
•
•
Dispositivo controlado por tensão (Vgs)
Pode ser modelado como resistência variável ou chave ideal
Pode suportar tensões da ordem de 1500V e correntes de 600A
Chaveamento mais veloz que do BJT (pode trabalhar em frequências de megahertz)
Diodo parasita de
corrente reversa
(substrato)
Região linear
resistiva
RDS(on) (miliohms)
Modelagem
como chave
ideal
Transistor de Junção Bipolar (TBJ)
•
•
•
•
Dispositivo controlado por corrente (iB)
Conduz quando a corrente na base atinge determinado nível
Tensão de saturação Vce entre 1V e 2V para BJT de potência
Baixos valores de hFE (ganho) para BJTs de potência (abaixo de 20)
• Necessidade de altas correntes de base
• Circuito de controle acaba sendo também um circuito de potência
Modelagem
como chave
ideal
Transistor de Junção Bipolar (TBJ)
Configuração Darlington
• 2 BJTs ou circuito completo integrado
• Ganho do arranjo é aproximadamente igual ao produto do ganho individual de cada BJT.
• Permite redução da corrente de controle.
BJT raramente é utilizado em novas aplicações, tornou-se obsoleto devido ao MOSFET e ao
IGBT.
Configuração
Darlington
Transistor Bipolar de
Porta Isolada
(Insulated-Gate Bipolar Transistor
- IGBT)
• Conexão integrada entre MOSFET e BJT.
• Circuito de controle semelhante ao do MOSFET
• Característica do circuito ligado semelhante ao do BJT
Códigos dos transistores
•
Os códigos dependem do fabricante, da máxima corrente,
máxima tensão, ganho e outras especificações.
•
Transistores mais comuns:
Baixa potência (BC, BF, ...)
BC548, BC558, BC337, BC327, BF494, BF422, BF423, 2SC1815, 2SA1015, 2N2222, etc
Média potência (BD, TIP, ....)
BD139, BD140, TIP41, TIP42, BUW84, BF459, 2SD401, 2SD1414, 2SB667, 2SB578,etc
Alta potência
2N3055, 2SC2365, 2SD1554, 2SD1877, 2SC4769, BU2508, BU208, etc.
Códigos dos transistores
• Sistema europeu
Começa com letras.
Se a 1ª letra for A, a peça é de germânio e se for B, é de silício.
A 2ª letra indica o tipo e a função da peça da seguinte forma:
A = diodo
B = diodo varicap (capacitância ajustável)
C = transístor de baixa frequência e baixa potência
D = transístor de baixa frequência e média potência
E = diodo túnel
F = transístor de alta frequência e baixa potência
L = transístor de alta frequência e alta potência
M = elemento hall (magnético)
N = fotoacoplador
P = elemento sensível a radiação
S = transístor de alta potencia para comutação
U = transístor de alta potência para chaveamento
Y = diodo retificador
Z = diodo zener
Exemplos:
AC188 – Transístor de
germânio (antigo) para
baixa frequência e baixa
potência
BD139 – Transístor de
silício (moderno) para
baixa frequência e média
potência
Códigos dos transistores
• Sistema americano - Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC)
1N - diodo
2N – transístor
3N – dispositivos de 4 camadas
4N e 5N – acopladores ópticos
Os números sequenciais vão de 100 até 9999.
A presença do sufixo pode indicar varias coisas. Por exemplo 2N2222A é uma versão
melhorada do 2N2222
Exemplos:
1N4148 é diodo
2N3055 é transístor
1N914 (diodo), 2N2222, 2N2222A, 2N904 (transistor).
NOTA: Quando uma versão metálica de um transistor JEDEC é refeita em
encapsulamento plástico, muitas vezes é adicionado um numero ou letra. Por exemplo
o transistor PN2222A é uma versão em plástico do 2N2222A. (metálico)
Códigos dos transistores
•
•
•
•
•
•
Sistema japonês
Pode começar com 1S se for diodo ou 2S se for transístor.
Geralmente este prefixo não vem no corpo.
Normalmente apresenta apenas uma letra seguida de um número.
Se vier as letras A ou B, será PNP. Se for C ou D, será NPN.
Exemplo:
2S C 1815 é um transistor NPN.
•
•
•
•
Sistema Texas
TIP – Transístor de média ou alta potência;
TIS – Transístor de baixa potência;
TIC – Tiristor (SCR ou TRIAC).
Exemplo: TIP31 é um transístor de média potência
Códigos dos transistores
• Sistema Motorola
MJ – Transístor de silício para alta potência;
MP – Transístor de germânio para alta potência;
MPS – Transístor de silício de baixa potência;
MPF – Transístor FET.
Exemplos:
• MPSA42 é um transístor de silício de baixa potência;
• MJE13007 é um transístor de silício de alta potência.
Datasheet
Manual do componente
Exercícios
- Fazer download do Pspice Student (pequeno - 30MB)  Dropbox
*** Selecionar o Schematics durante a instalação.
- Simular exemplo 1.2 (HART – Eletrônica de potência)  Instruções no livro pag.23
Lista Cap.1 – Para o dia da primeira prova
- Problemas 1-1, 1-2, 1-3 e 1-4.
Usar o Schematics
Resultados
de
simulação
do livro
Resultados de
simulação no
PSpice