Tecnologia em Automação Industrial

ELETRÔNICA IIAula 21

Tiristores

Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

https://giovanatangerino.wordpress.comgiovanatangerino@ifsp.edu.br

giovanatt@gmail.com

Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

.. Solenóides

.. motores

Circuitos Elétricos e Eletrônicos

Elementos ativos:

. Válvulas

. Semicondutores.. Diodos.. Transistores.. Tiristores

Elétrica. Transformadores. Motores. Geração/Transmissão/Distribuição. Instalações Residenciais/Prediais/Industriais. Filtros Passivos

Eletrônica Analógica:. Retificadores/ Ceifadores/ Grampeadores/ Multiplicadores de tensão

. Fontes de alimentação(reguladores de tensão)

. Amplificadores

. Filtros Ativos

. Geradores de sinais: Osciladores/ Multivibradores

. Circuitos de Instrumentação

. Circuitos integrados

Elementos Passivos:

. Resistores

. Capacitores

. Indutores Eletrônica Digital:. Portas digitais. Circuitos combinacionais.. Codificadores e decodificadores.. Multiplexador e demultiplexador.. Somador e subtrator

. Circuitos sequenciais.. Flip-flop RS, JK, D e T

. Registradores

. Contadores síncronos e assíncronos

. Memórias

. Conversores A/D e D/A

Eletrônica de Potência:. Classes de amplificadores: A, B, AB, C,etc. Reguladores.. Regulador CA ou controlador CA (CA p/CA).. Regulador CC: chopper ou recortador (CC p/CC)

. Conversores de potência.. Retificadores de potência (CA p/ CC).. Inversores de potência (CC p/ CA).. Inversores de frequência.. Conversores de fator de potência: compensador

. Acionamento de máquinas elétricas

.. Trimpots

.. Potenciômetros

.. Trimmer

.. variáveis

Circuitos Integrados:. Amp-op

. Portas lógicas. etc

.. BJT

.. JFET

.. MOSFET

.. IGBT

.. UJT

.. de junção

.. Zener

.. Schottky

.. Emissor de luz

.. Fotodiodos

.. SCR

.. Diac/Triac

.. GTO

.. SCS

APLICAÇÕES:TEORIAS:. Leis básicas.. Lei de Ohm.. Lei das tensões de Kirchhoff.. Lei das correntes de Kirchhoff

. Métodos de análise.. Análise nodal.. Análise de malhas.. Correntes fictícias de Maxwell

. Teoremas de rede.. Circuitos lineares.. Princípio da Superposição.. Teoremas de Thévenin.. Teoremas de Norton.. Transferência máxima de potência

. Bipolos, quadripolos, geradores, receptores

. Resposta em frequência

. Transformada de Laplace

. Análise de Fourier

. Processamento de sinais (analógico e digitais)

. Automação e ControleProf. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

. Circuitos em regime permanente CC

. Circuitos em regime permanente CA.. Excitação senoidal, fasores

.. Circuitos de 1ª e 2ª ordem.. Circuitos RL, RC, RLC.. Filtros passivos

. Circuitos monofásicos e polifásicos.. fator de potência.. Ligações estrela e triângulo

. Análise em regime transitório.. Resposta ao degrau e ao impulso

. Análise em regime permanente.. Valor médio e eficaz.. Energia, potência

. Magnetismo e eletromagnetismo.. Transformadores

Fontes de alimentação:. Corrente contínua/alternada. dependente/independente

Transmissão de dados:. Sistemas analógicos. Sistemas digitais

Elétrica

Eletrônica Digital

Eletrônica Analógica

Eletrônica de Potência

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DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES

• Diodos: • 2 camadas PN

• chaveamento

• Junção PN, zener, Schottky, diodo túnel, emissor de luz, fotodiodo, varicap

• Transistores: • 3 camadas PNP ou NPN

• Amplificação e chaveamento de potência

• BJT, FET, MOSFET, IGBT, UJT

• Tiristores: • 4 camadas PNPN

• Chaveamento de potência

• SCR, GTO, triac, diac, SCS, MCTMOS

• Vantagem: converter e controlar grandes quantidades de potências em sistemas AC ou DC, utilizando apenas uma pequena potência para o controle.

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

• A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser

controlada pela variação da tensão de alimentação (transformador variável)

ou pela inserção de um regulador (chave).

• Eletrônica de Potência trata da aplicação da eletrônica dos semicondutores

(dispositivos de estado sólido) para o controle e conversão da energia

elétrica em níveis altos de potência aplicados à indústria.

http://slideplayer.com.br/slide/10522652/

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

• Potência: cuida de equipamentos de potência rotativos e estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica

• Eletrônica: trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido para o processamento de sinais que permitam alcançar os objetivos de controle desejados.

• Controle: trata das características dinâmicas e de regime permanente dos sistemas de malha fechada.

http://slideplayer.com.br/slide/10522652/

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

• Objetivos Principais:• Controle e conversão de energia com alta eficiência e qualidade.

• Postulado básico: • o dispositivo básico na construção dos circuitos conversores de potência (conversores

estáticos) deve ser um elemento que se comporte como uma chave interruptora.

• Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves têm a vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da eficiência e da utilização para o controle automático da potência.

• Parâmetros controlados: tensão, corrente e frequência

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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

• Aplicações:• Transmissão de energia a grandes distâncias em DC.

• Acionamentos elétricos

• Tração elétrica

• Controle de iluminação

• Fontes ininterruptas de energia

• Fontes chaveadas

• Robótica

• Automação predial e industrial

• Controle de temperatura

• Utilidades domésticas

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DISPOSITIVOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

• Regulador: permite o controle intermediário de CA ou CC• Regulador CA ou controlador CA: converte CA para CA sem alteração da frequência

• Regulador CC (Chopper ou recortador): converte CC para CC

• Retificador: converte potência CA para CC

• Inversor: converte potência CC para CA

• Conversor: termo geral• Conversor CA/CC e CC/CA: conversor que pode operar tanto como retificador como

inversor.

• Conversor de frequência: conversor em que a frequência de saída é geralmente diferente da frequência CA de entrada

• Conversor de fator de potência (compensador estático): conversor utilizado para controlar o fator de potência de um sistema CA.

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CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA

• Chave eletrônica: Dispositivo elétrico de controle de fluxo de potência.

• Chave ideal: • não há perda de potência.

• Queda de tensão nula, quando fechada (V=0, P=V.I=0)

• Corrente nula, quando aberta (I=0, P=V.I=0)

• Abre e fecha instantaneamente (Δt=0)

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CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA

• Principais chaves semicondutoras:• Diodo

• BJT• MOSFET• IGBT

• SCR• TRIAC• GTO

• Principais elementos de disparo:• UJT

• DIAC

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TRANSISTORES DE POTÊNCIA

• Apresentam características de chaveamento controlada.

• Transistores utilizados como elementos de chaveamento, operam na região de saturação, apresentando uma baixa queda de tensão de condução (VCE=0)

• A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior do que a dos tiristores, sendo largamente utilizados em conversores CC/CC e CC/CA, apresentando internamente, um diodo conectado em paralelo (manter um caminho para a corrente).

• As especificações de tensão e corrente ainda são menores que a dos tiristores, sendo então aplicados em baixa e média potência.

• O chaveamento de um transistor é mais simples que o chaveamento de um tiristor por comutação forçada.

• Os transistores de potência podem ser divididos em:• BJT (Transistores de junção bipolar)• MOSFET (Metal-oxide-semicondutor-field-effect-transistor• SIT (static induction transistor)• IGBT (insulated-gate-bipolar-transistor)

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IGBT

• Transistor Bipolar de Porta Isolada

• (Insulated Gate Bipolar Transistor

• Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs

• Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento.

• Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs

• Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim

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UJT• Transistor de Unijunção (Unijunction Transistors) ou transistor

de dupla base

• Dispositivo semicondutor com três terminais (base 1, base 2, emissor) e uma junção

• Construído a partir de uma barra de material N na qual existe uma ilha de material P.

• Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs

• Uma das principais aplicações do UJT é como oscilador de relaxação operando na região de resistência negativa.• Os osciladores de relaxamento são usados para gerar os pulsos de

acionamento para dispositivos maiores (gerar o disparo) como SCRse TRIACs.

• Após ter disparado, o UJT só volta a cortar novamente quando a tensão de emissor não for mais suficiente para manter a polarização direta da junção (Tensão de vale).

• O UJT mais usado comercialmente é o 2N2646

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OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT• O UJT tem dois parâmetros importantes:

• Tensão de disparo (VP) • Valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminhão entre o emissor e a base 1 • início do disparo do UJT

• Tensão de Vale (VV)• Valor de tensão que, após a entrada em condução bloqueia o caminho• Fim do disparo do UJT.

• Considerar inicialmente o capacitor descarregado. Ao ligar a fonte VBB ao circuito, o capacitor começa a carregar exponencialmente.

• Enquanto o valor da tensão do capacitor não alcançar o valor do parâmetro VP, o UJT estará bloqueado, isto é, passará uma pequena corrente pelo caminho entre os terminais de base. Esta corrente produz uma pequena queda de tensão no resistor RB1.

• No momento que a tensão do capacitor atinge o parâmetro VP, o UJT começará a conduzir através do caminho emissor e base1.

• Neste instante inicial de condução, a resistência interna deste caminho é baixíssima, proporcionando a elevação da corrente e, ao mesmo tempo, a descarga do capacitor. É o que chamamos de resistência negativa.

• Este surto de corrente inicial é transitório, pois a resistência do caminho E=B1 torna-se gradativamente maior até o ponto em que a tensão do capacitor cai até o parâmetro VV. Deste modo, o UJT sai de condução proporcionando uma nova recarga do capacitor.

Fonte: Apostila de eletrônica de potência, Jefferson Pereira da Silva, IFRN

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TIRISTORES

• O nome tiristor se aplica a qualquer chave de estado sólido construída a partir de quatro camadas alternadas PNPN, podendo ter dois, três ou quatro terminais e conduzir em uma ou duas direções.

• São chaves eletrônicas utilizadas em alguns circuitos nos quais se necessita controlar o estado ligado.

• São capazes de conduzir correntes de valores elevados e de bloquear valores altos de tensão para aplicações com valores altos de potência, mas as frequências de chaveamento não podem ser tão altas.

• estado sólido: não possuem elementos mecânicos ou qualquer tipo de peça móvel.

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DIODO SHOCKLEY• Ou diodo de quatro camadas unilateral

• Dispositivo que origina toda a família de tiristores.

• Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução.

• Com polarização reversa se comporta como um diodo comum, com altíssima resistência.

• Com polarização direta, o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que a tensão de breakover (VBO)

• Quando a tensão no dispositivo atingir esse valor, o dispositivo conduz bruscamente (disparo).

• Após disparar, a tensão cai para aproximadamente 1V e voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção, VH(IH).

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SCR• Retificador Controlado de Silício (Silicon Controlled

Rectifier)

• É basicamente o diodo de quatro camadas com o terceiro terminal de controle (porta) para injeção de corrente e controlar o disparo.

• Para o SCR começar a conduzir é preciso que se aplique uma corrente no gatilho, quando a tensão anodo-catodo for positiva. • pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto

espaço de tempo.• Só pode disparar com o anodo positivo em relação ao catodo e

com o gate positivo em relação ao catodo.

• Uma vez estabelecida a condução, o sinal no gatilho não é mais necessário para manter a corrente no anodo.

• O SCR continuará a conduzir enquanto a corrente no anodo permanecer positiva e acima de um valor mínimo (nível de manutenção, IH).

• Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução após disparo.

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DIODO SCR

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SCR

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GTO

• Tiristor de desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor)

• entra em condução com uma corrente no gatilho de curta duração se a tensão do anodo-catodo for positiva.

• Diferente do SCR, o GTO pode ser desligado com uma corrente negativa no gatilho

• Adequado para aplicações em que ambos os controles de ligamento e de desligamento de uma chave são necessários.

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DIAC• Diodo de quatro camadas bilateral (diode for Alternating Current).

• É um gatilho (chave) bidirecional, disparado por tensão.• Normalmente a tensão de disparo ocorre entre 20 e 40V.

• É um diodo que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida

• Dispositivo de quatro camadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar o valor de breakover (VBO), voltando a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção (VH (IH)).

• O componente não tem polaridade

• Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão

• Aplicação: Útil para aplicações AC, proteção de circuitos e disparo de TRIACs.

• O DIAC é feito para operar basicamente em conjunto com o TRIAC.

• Diac comerciais: BR100, DB2

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TRIAC• Usado quando é necessário controlar a potência em um circuito AC, com

corrente nos dois sentidos.

• Equivalente a dois SCRs em antiparalelo, ou um DIAC com o terceiro terminal de controle, o gate.• Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser regulada seja

maior do que os valores nominais dos dispositivos.

• É usado basicamente como chave de estado sólido em CA, substituindo em alguns casos e com vantagens as chaves mecânicas (relés, contactores etc).• Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz ou 50Hz.

• Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo• Tem quatro possibilidades de ser disparado.

• Máxima tensão que pode ser aplicada no dispositivo com a porta aberta (IG=0) sem que haja condução.

• Mais econômico e fácil de controlar.

• Limitações: baixa velocidade, que restringe a frequência operacional.

• Triac comercial: TIC226

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TRIAC

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Controle de disparo com UJT

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Controle de disparo com DIAC• A rede R1, R2 e C1 defasa a tensão sobre C1.

• O capacitor se carrega até atingir a tensão de disparo do DIAC.

• O DIAC entra em condução e cria um caminho de baixa impedância para o capacitor descarregar-se sobre o gatilho do TRIAC.

• A corrente de descarga do capacitor é suficiente elevada para conseguir disparar TRIACs de baixa potência, mesmo com valores relativamente baixos de capacitância.

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COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA• Limites de operação de

componentes semicondutores de potência

• Distribuição dos componentes semicondutores, indicando limites aproximados para valores de tensão de bloqueio, corrente de condução e frequência de comutação.

•

• (2004)

Fonte: apostila Eletrônica de Potência, J.A. Pomilio

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Visão geral: Dispositivos Semicondutores (diodos)

Diodo de junção PN

Diodo Zener

Diodo Schottky

• Trabalha com baixas tensões e em alta frequência• Pode desligar muito mais rapidamente do que o de junção PN• Frequências de chaveamento muito maiores• Emprego:

• retificadores em aplicações de baixa tensão, em que a eficiência de conversão é o ponto importante

• Fontes de alimentação chaveadas que operam em frequências iguais ou maiores do que 20 Hz.

Diodo túnelou diodo Esaki

Extremamente rápido, opera na casa dos GHz

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Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores)

BJTTransistor Bipolar de

Junção(Bipolar Junction

Transistor)

• Controlado por corrente• Velocidade de chaveamento mais lenta que o MOSFET• Em aplicações de alta tensão, um BJT é preferível, mesmo que

às custas de perdas de desempenho em alta frequência

JFET

• Controlado por tensão

MOSFETTransistor de Efeito de

Campo Metal-Óxido-Semicondutor(Metal-Oxide-

Semiconductor Field Effect Transistor)

• Controlado por tensão• Transistor de chaveamento rápido• Preferíveis em aplicações com altas frequências• Alta impedância de entrada• Apropriado para baixas potências (até alguns quilowatts)

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Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores)

IGBTTransistor Bipolar de Porta

Isolada(Insulated Gate Bipolar

Transistor

• Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs

• Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento.

• Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs• Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim

UJTTransistor de Unijunção

(Unijunction Transistors)

• Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs

• Dispositivo ideal para utilização em osciladores de relaxamento, usados para disparo de um SCR

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Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores)

SCRRetificador Controlado

de Silício(Silicon Controlled

Rectifier)

• Para passar o tiristor ao estado ligado é preciso que a porta receba um pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto espaço de tempo

• Permanece no estado ligado enquanto a corrente ficar acima de um certo valor

• Chaveamento

GTOTiristor de

desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor)

• Passa para o estado ligado com um sinal positivo na porta• Passa para o estado desligado com uma corrente de porta

negativa• Qualidades melhoradas de chaveamento.• Tempo de desligamento muito menor que o SCR• Valores nominais de tensão e corrente menores que o SCR• Queda de tensão mais alta no estado ligado• Uso: acionamento de motores, fontes de alimentação de

funcionamento contínuo, choppers e inversores.

DIACChave semicondutora

de três camadas e dois terminais

• A única maneira de o dispositivo passar para o estado ligado é excedendo a tensão de disparo

• Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão

• Útil para aplicações AC

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Triac

• Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo

• Mais econômico e fácil de controlar• Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser

regulada seja maior do que os valores nominais dos dispositivos• Limitações: baixa velocidade, que restringe a freq. operacional• Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz

SCSChave controladora de

Silício

• Pode passar para o estado ligado com aplicação de pulso positivo na porta do cátodo ou com um pulso negativo na porta do ânodo.

• Se estiver ligado, passará para desligado com um pulso positivo na porta do ânodo ou um pulso negativo na porta do cátodo

MCTTiristor Controlado

MOS(MOS Controlled

Thyristor)

• MOS+SCR• Queda de tensão baixa no estado ligado e baixo tempo de

desligamento• Exige corrente de porta menor para o desligamento do que o

GTO• Desvantagem: baixa capacidade de bloqueio de tensão inversa

Diodo Shocley

Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores)