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C U U R SO D E E L ET RÔ N I C C A D E POT Ê N C C I A
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Capítulo Capítulo I - DISPO DISPOSITIV SITIVOS OS SEMICONDUT SEMICONDUTORES ORES............................... ............................... .......................... ........... 4 1. O RETIFICAD RETIFICADOR OR CONTROL CONTROLADO ADO DE SILÍCIO( SILÍCIO( SCR )............................ ) ............................ .......................... .. 4 1.1 - CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS TOS ............................ .......................... .......................... ... 4
1.2 - CONSTITUI CONSTITUIÇÃO ÇÃO INTERNA INTERNA E SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA........................... ........................... .......................... ....... 4 1.3 - CURVA CURVA CARAC CARACTERÍS TERÍSTICA TICA DO SCR........................... .......................... .................... 7 1.4 - TIPOS DE SCR`s.................................................... .......................... .......................... .... 8 1.5 - IDENTIFIC IDENTIFICAÇÃO AÇÃO DOS TERMINAIS TERMINAIS DE DE UM UM SCR ............................ ........................ 8 1.6 - TESTE DE UM SCR .............................. .......................... .......................... ..................... 9 1.7 - IDENTIFICAÇÃO IDENTIFICAÇÃO E PARÂMETROS PARA PARA A ESCOLHA DE UM SCR............ SCR....... .......... ....... 9 2. O RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO SILÍCIO DE MÃO DUPLA “O TRIAC” .......... ..... .......... ....... 11 2.1 - CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS TOS ............................ .......................... .......................... . 11 2.2 - CONSTITUI CONSTITUIÇÃO ÇÃO INTERNA INTERNA E SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA........................... ........................... .......................... ..... 11 2.3 – CURVA CURVA CARACTERÍ CARACTERÍSTICA STICA DO TRIAC TRIAC ............................... .......................... ......... 12 2.3 - TRIAC`s TRIAC`s COMERCIAIS COMERCIAIS ........................... ........................... .......................... .............. 13 2.4 - IDENTIFIC IDENTIFICAÇÃO AÇÃO DOS DOS TERMINAIS TERMINAIS DE UM UM TRIAC............................. TRIAC............................. ................. 13 2.5 - TESTE DE UM TRIAC ............................... .......................... .......................... .............. 14 3. O TRANSISTOR UNIJUNÇÃO( UJT ) .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... 14 3.1 - CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS TOS ............................ .......................... .......................... . 14 3.2 - CONSTITUI CONSTITUIÇÃO ÇÃO INTERNA INTERNA E SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA........................... ........................... .......................... ..... 14 3.3 – PRINCÍP PRINCÍPIO IO DE FUNCIONA FUNCIONAMENTO MENTO ............................. .......................... .................. 15 3.4 - PARÂMET PARÂMETROS ROS IMPORTANTE IMPORTANTESS DA CURVA.................. CURVA.................. .......................... ............... 15 3.4 – IDENTIFIC IDENTIFICAÇÃO AÇÃO DOS TERMIN TERMINAIS AIS DO UJT. UJT................................ ............................... .......................... 16 3.5 – TESTE DE UM UJT.......................................... UJT................ .......................... .......................... ............................ ...... 16 4.O DIAC ( DIODO DE CORRENTE ALTERNADA ALTERNADA ).......... )..... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 17 4.1 – CONCEITO CONCEITO E FUNDA FUNDAMENTOS................................ MENTOS........................................................... ........................... ...................... 17 4.2 – CONSTITUIÇÃ CONSTITUIÇÃO O INTERNA E SIMBOLOGI SIMBOLOGIA................................. A................................. ......................... 17 4.3 – CURVA CURVA CARACTERÍ CARACTERÍSTICA STICA DO DIAC.... DIAC................................ ............................ ............................. ........ 17 4.3 –IDENTIF –IDENTIFICAÇ ICAÇÃO ÃO DOS TERMINAI TERMINAISS DE UM DIAC DIAC ........................... ...................... 18 4.4 –TESTE –TESTE DO DIAC........................... DIAC ........................... .......................... .......................... .......................... .. 18 4.5 – APLICAÇÕ APLICAÇÕES ES PARA PARA O DIAC...................................... DIAC...................................... .......................... ..................... 18 5. O IGBT( TRANSISTOR BIPOLAR DE GATILHO GATILHO ISOLADO )......... ).... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ....... 19 5.1 – CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS............ TOS....................................... ........................... .......................... ................ 19 5.2 – CONSTITUIÇÃ CONSTITUIÇÃO O INTERNA E SIMBOLOGI SIMBOLOGIA................................. A................................. ......................... 19 5.3 - PRINCÍP PRINCÍPIO IO DE FUNCIONA FUNCIONAMENTO........ MENTO.................................. .......................... .............................. ......... 20 5.3 – CURVA CURVA CARACTERÍ CARACTERÍSTICA STICA DO IGBT IGBT .............................. .......................... ............. 21 5.4 – IGBT´s COMERC COMERCIAIS IAIS .............................. .......................... .......................... .............. 21 5.5 –PINAGEM –PINAGEM DO IGBT .............................. .......................... .......................... ................... 22 2
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Capítulo Capítulo I - DISPO DISPOSITIV SITIVOS OS SEMICONDUT SEMICONDUTORES ORES............................... ............................... .......................... ........... 4 1. O RETIFICAD RETIFICADOR OR CONTROL CONTROLADO ADO DE SILÍCIO( SILÍCIO( SCR )............................ ) ............................ .......................... .. 4 1.1 - CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS TOS ............................ .......................... .......................... ... 4
1.2 - CONSTITUI CONSTITUIÇÃO ÇÃO INTERNA INTERNA E SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA........................... ........................... .......................... ....... 4 1.3 - CURVA CURVA CARAC CARACTERÍS TERÍSTICA TICA DO SCR........................... .......................... .................... 7 1.4 - TIPOS DE SCR`s.................................................... .......................... .......................... .... 8 1.5 - IDENTIFIC IDENTIFICAÇÃO AÇÃO DOS TERMINAIS TERMINAIS DE DE UM UM SCR ............................ ........................ 8 1.6 - TESTE DE UM SCR .............................. .......................... .......................... ..................... 9 1.7 - IDENTIFICAÇÃO IDENTIFICAÇÃO E PARÂMETROS PARA PARA A ESCOLHA DE UM SCR............ SCR....... .......... ....... 9 2. O RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO SILÍCIO DE MÃO DUPLA “O TRIAC” .......... ..... .......... ....... 11 2.1 - CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS TOS ............................ .......................... .......................... . 11 2.2 - CONSTITUI CONSTITUIÇÃO ÇÃO INTERNA INTERNA E SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA........................... ........................... .......................... ..... 11 2.3 – CURVA CURVA CARACTERÍ CARACTERÍSTICA STICA DO TRIAC TRIAC ............................... .......................... ......... 12 2.3 - TRIAC`s TRIAC`s COMERCIAIS COMERCIAIS ........................... ........................... .......................... .............. 13 2.4 - IDENTIFIC IDENTIFICAÇÃO AÇÃO DOS DOS TERMINAIS TERMINAIS DE UM UM TRIAC............................. TRIAC............................. ................. 13 2.5 - TESTE DE UM TRIAC ............................... .......................... .......................... .............. 14 3. O TRANSISTOR UNIJUNÇÃO( UJT ) .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... 14 3.1 - CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS TOS ............................ .......................... .......................... . 14 3.2 - CONSTITUI CONSTITUIÇÃO ÇÃO INTERNA INTERNA E SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA........................... ........................... .......................... ..... 14 3.3 – PRINCÍP PRINCÍPIO IO DE FUNCIONA FUNCIONAMENTO MENTO ............................. .......................... .................. 15 3.4 - PARÂMET PARÂMETROS ROS IMPORTANTE IMPORTANTESS DA CURVA.................. CURVA.................. .......................... ............... 15 3.4 – IDENTIFIC IDENTIFICAÇÃO AÇÃO DOS TERMIN TERMINAIS AIS DO UJT. UJT................................ ............................... .......................... 16 3.5 – TESTE DE UM UJT.......................................... UJT................ .......................... .......................... ............................ ...... 16 4.O DIAC ( DIODO DE CORRENTE ALTERNADA ALTERNADA ).......... )..... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 17 4.1 – CONCEITO CONCEITO E FUNDA FUNDAMENTOS................................ MENTOS........................................................... ........................... ...................... 17 4.2 – CONSTITUIÇÃ CONSTITUIÇÃO O INTERNA E SIMBOLOGI SIMBOLOGIA................................. A................................. ......................... 17 4.3 – CURVA CURVA CARACTERÍ CARACTERÍSTICA STICA DO DIAC.... DIAC................................ ............................ ............................. ........ 17 4.3 –IDENTIF –IDENTIFICAÇ ICAÇÃO ÃO DOS TERMINAI TERMINAISS DE UM DIAC DIAC ........................... ...................... 18 4.4 –TESTE –TESTE DO DIAC........................... DIAC ........................... .......................... .......................... .......................... .. 18 4.5 – APLICAÇÕ APLICAÇÕES ES PARA PARA O DIAC...................................... DIAC...................................... .......................... ..................... 18 5. O IGBT( TRANSISTOR BIPOLAR DE GATILHO GATILHO ISOLADO )......... ).... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ....... 19 5.1 – CONCEITO CONCEITO E FUNDAMEN FUNDAMENTOS............ TOS....................................... ........................... .......................... ................ 19 5.2 – CONSTITUIÇÃ CONSTITUIÇÃO O INTERNA E SIMBOLOGI SIMBOLOGIA................................. A................................. ......................... 19 5.3 - PRINCÍP PRINCÍPIO IO DE FUNCIONA FUNCIONAMENTO........ MENTO.................................. .......................... .............................. ......... 20 5.3 – CURVA CURVA CARACTERÍ CARACTERÍSTICA STICA DO IGBT IGBT .............................. .......................... ............. 21 5.4 – IGBT´s COMERC COMERCIAIS IAIS .............................. .......................... .......................... .............. 21 5.5 –PINAGEM –PINAGEM DO IGBT .............................. .......................... .......................... ................... 22 2
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5.6 –VANTAGEN –VANTAGENSS DO IGBT................................... ............................. ............................ .... 22 Capítulo Capítulo II – CIRCUITOS CIRCUITOS DE DISPARO DISPARO DE TIRIST TIRISTORES........... ORES..................................... .......................... ................ 25 1 – INTRODUÇÃO.................. INTRODUÇÃO.................. .......................... .......................... .......................... ..................... 25 2 – DISPARO DE TIRISTORES COM SINAL CC NO GATILHO............. GATILHO........ .......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... 25 3 - DISPARO DE TIRISTORES COM SINAL SINAL CA NO GATILHO .......... ..... .......... .......... .......... ........... ........... .......... ......... 25 4 - CONTROLE DE FASE COM SCR........... SCR...... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ........... ........... .......... .......... .......... ........... ........... .......... ..... 26 5 - CONTROLE DE FASE COM TRIAC .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... 29 6 – DISPARO DISPARO POR POR REDE REDE DEFASAD DEFASADORA ORA ............................... .......................... ...................... 32 7 – DISPARO POR PULSOS PULSOS E COMPONENTES COMPONENTES ASSOCIADO ASSOCIADOS........... S..................................... .......................... ....... 34 8 – TRANSFORMAD TRANSFORMADORES ORES DE PULSO.......................... .......................... .......................... ...... 34 9 – ACOPLADORES ÓPTICOS OU ISOLADORES ISOLADORES ÓPTICOS............. ÓPTICOS........ .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... 35 10 – CIRCUITO CIRCUITO DE DE DISPARO DISPARO PULSADO PULSADO COM COM UJT..................................... UJT........... .......................... ......................... 38 11 – CIRCUITO CIRCUITO DE DE DISPARO DISPARO COM COM TCA-785 TCA-785............................. ............................. .......................... .................. 44 12 – OUTRO OUTROSS MÉTODOS MÉTODOS DE DE DISPARO DISPARO DO DO SCR................................ SCR. ............................... .......................... ......... 49 Capítulo Capítulo III - CIRCUITO CIRCUITOSS RETIFICADORES RETIFICADORES.............................. .............................. .......................... .................. 51 1.RETIFICADO 1.RETIFICADOR R CONTROLADO CONTROLADO MONOFÁSICO MONOFÁSICO DE MEIA-ONDA MEIA-ONDA ............................ ........ 53 2.RETIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA............ COMPLETA....... .......... .......... ......... .... 56 3.RETIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA EM PONTE..... PONTE. .... 57 4.RETIFICADOR SEMI-CONTROLADO MONOFÁSICO MONOFÁSICO EM PONTE..... PONTE .......... .......... .......... .......... .......... ......... .... 59 5.RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE DE MEIA-ONDA .......... ..... .......... .......... .......... .......... ......... ......... ......... 64 6. RETIFICADOR RETIFICADOR CONTROLADO CONTROLADO TRIFÁSICO TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA COMPLETA EM PONTE ......... 66 7. RETIFICADO RETIFICADOR R SEMI-CONTROL SEMI-CONTROLADO ADO TRIFÁSICO TRIFÁSICO EM PONTE PONTE .............................. ........ 67 Capítulo Capítulo IV ........................... .......................... .......................... .......................... ........................ 68 CIRCUITOS CIRCUITOS CONVERSOR CONVERSORES ES CC-CC E COMUTAÇÃO COMUTAÇÃO CC.............................................. ...... 68 1. CIRCUITOS CIRCUITOS CONVERSORES....................... CONVERSORES....................... .......................... ........................... ................... 68 2.CIRCUITOS DE COMUTAÇÃO PARA SCR .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... ..... 72 Capítulo Capítulo V ............................. .......................... .......................... .......................... ........................ 74 CONVERSÃO CONVERSÃO DE FREQUÊNCIA............................................... FREQUÊNCIA......................................................................... .......................... .................... 74 1.INVERSORES 1.INVERSORES ............................ .......................... .......................... .......................... ............... 75 1.1– PRINCÍP PRINCÍPIO IO DE DE FUNCI FUNCIONAM ONAMENTO ENTO .............................. .......................... .................. 75 1.2 - INVERSORES INVERSORES TRIFÁSICOS TRIFÁSICOS .............................. .......................... .......................... ..... 77 2. CICLOCONVERSORES......... CICLOCONVERSORES.... .......... ........... ........... .......... .......... .......... ........... ........... .......... .......... .......... ........... ........... .......... .......... .......... .......... .......... ........ ... 80 2.1 -PRINC -PRINCÍPIO ÍPIO DE FUNCION FUNCIONAMEN AMENTO TO............................... ............................... .......................... .................. 81 2.2 - CICLOCONVERS CICLOCONVERSOR OR TRIFÁSICO TRIFÁSICO ............................ ........................... ...................... 83 BIBLIOGRAFIA .......... ..... .......... .......... .......... .......... ......... ......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ........... ........... .......... .......... ..... 83
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Capítulo I - DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES SEMICONDUTORES 1. O RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO( SCR ) 1.1 - CONCEITO E FUNDAMENTOS CONCEITO É um dispositivo que se comporta como um diodo, porém solicita de uma autorização para que haja condução.
1.2 - CONSTITUIÇÃO INTERNA E SIMBOLOGIA -
Os diodos são formados por dois pedaços de material semicondutor ( P – N );
-
Os transistores são formados por três blocos de material semicondutor ( P-N-P ou N-P-N );
-
O SCR apresentam uma constituição interna com quatro camadas de material semicondutor dispostos em “pilha”.
A ANODO P GATILHO
G
N P
(b)
N (a)
K CATODO Fig. 1.1 – a) estrtura interna de um SCR b) Símbolo do do SCR
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EQUIVALÊNCIA COM DOIS TRANSISTORES
A C E
P
B
N
G
A +
N
P
P
B
N
E
PNP
G
C
NPN
K
(a)
(b)
K Fig. 1.2 – a) Corte inclinado em um SCR b) Modelo de um SCR com transistores
Efetuando-se um hipotético corte inclinado nas “pilhas” de materiais semicondutores que forma o SCR, teremos, como mostra a configuração acima, duas estruturas equivalentes a dois transistores bipolares: Um PNP e outro NPN. Percebamos que tudo se passa como se a base do transistor PNP estivesse ligada ao coletor do NPN. Esta observação é fundamental para entendermos o por quê do SCR permanecer “ ligado” após a retirada do pulso em seu gatilho, explicado mais tarde.
+
+
+ ANODO(A)
A +
P DIRETA INVERSA DIRETA
P
N P
GATILHO
N
G
N P
G
N K CATODO(K) Fig. 1.3 – Equivalência com diodos 5
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CONDUÇÃO DE UM SCR
Observamos na figura 1.3 que mesmo quando o SCR é diretamente polarizado, ele não é capaz de conduzir, mesmo com dois diodos diretamente polarizados, mas haverá uma junção inversamente polarizada localizada no meio do super sanduíche, representada pelo diodo do meio, que diodo “chato” não é? Logo não adianta apenas polarizar diretamente o SCR, é preciso trabalharmos com um terceiro terminal, conectado ao terceiro bloco de material, conforme mostra a figura 1.3 acima. Sem a atuação desse terminal, o SCR não permite a passagem da corrente elétrica, pois a polarização dos seus diodos “internos” é “ conflitante” . Vejamos então o que acontece se aplicarmos uma polarização positiva ao terminal G, como mostra a figura 1.4, logo a seguir. Ao conectarmos o terminal G ao positivo, a junção inferior do “sanduíche” fica polarizada no sentido de condução, permitindo a passagem de uma pequena corrente, chamada de “ corrente de gatilho”, como mostra a seta tracejada menor. Esta corrente pode adquirir níveis perigosos para o SCR, portanto usualmente é utilizada uma resistência de gatilho para limitá-la, e assim manter a integridade do dispositivo, e não danificá-lo. Ao surgir, contudo, essa pequena corrente, através da junção( A ), diretamente polarizada, ocorre um interessante fenômeno, nas “ tripas” do SCR: Essa pequena corrente como que “ arrasta” consigo os portadores de carga existentes na junção( B ), fazendo com que a mesma se “ desinverta”, para efeitos práticos, e permitindo assim a livre passagem de intensa corrente entre o anodo e o catodo. O SCR então entra no que chamamos de estado de condução, e até quando? O SCR mesmo ao retirarmos a conexão do gatilho, após o mesmo ter sido polarizado, ele se mantém conduzindo, esta é uma característica muito importante do SCR, e isto só é possível graças a sua configuração equivalente a dois transistores apresentada na figura 2, vejamos: Suponha que polarizamos o SCR diretamente( terminal A positivo e terminal K negativo ), assim que aplicarmos polarização positiva ao terminal G, a base do transistor NPN receberá tal polarização, fazendo com que esse transistor entre em condução. Ao entrar o transistor NPN em condução, a sua “resistência interna”, entre emissor e coletor, baixa bastante, permitindo então que a polarização negativa atinja, com facilidade, a base do transistor PNP. O transistor PNP, por sua vez, ao receber em sua base essa polarização negativa, também entra em plena condução, “trazendo” polarização positiva à base do transistor NPN, assim, todo o conjunto entra e permanece em condução, podemos então resumir este círculo vicioso em uma pequena frase: “ Eu te ajudo, e você me ajuda”... E Este processo de condução tem fim? ... +
A
Corrente intensa
P RG
N P Corrente pequena de gatilho
B A
N K
-
Figura 1.4 – Circulação de corrente em um SCR
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Claro que tem, existe algumas formas de se bloquear o processo de condução de um SCR : Uma delas é desligar a fonte do circuito e outra é curto circuitar os terminais do dispositivo , ou seja, o anodo com o catodo. Essas são algumas ações verificadas em circuitos CC, outras também utilizadas são chamadas de comutação forçada, onde são elaborados circuitos para que se faça a comutação do SCR no momento desejado. Em circuitos CA há o que chamamos de comutação natural, pois o simples fato do sinal alternado passar por zero, desliga o SCR.
1.3 - CURVA CARACTERÍSTICA DO SCR IA Imáx
VBO
IL IH
RL
VBO VCA
+
VAC Característica de bloqueio reversso
IA V1
Característica de bloqueio direto (b) (a)
Figura 1.5 a)Curva característica do SCR b)Circuito para obtenção da curva característica
PARÂMETROS IMPORTANTES DA CURVA
VBO - Tensão de Breakover. IH - ( Holding current), corrente de retenção ou de manutenção: A corrente de manutenção é o valor de corrente anódica abaixo do qual o SCR irá entrar em estado de corte. IL – (Latching current), corrente de engatamento ou disparo: A corrente de disparo é o menor valor de corrente anódica que deve circular no SCR, a fim de que possamos retirar o sinal do gatilho e o dispositivo permanecer conduzindo.
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1.4 - TIPOS DE SCR`s
Invólucros típicos de SCR´s de baixa potência
Tipos de Tiristores - disco Tipos de Tiristores - rosca
Módulo de Tiristores Figura 1.6 - SCR´s comerciais
1.5 - IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DE UM SCR G – Gatilho A – Anodo K – Catodo
G A K Figura 1.7 - SCR e seus terminais
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1.6 - TESTE DE UM SCR
c)
b)
a)
K
K
A G
A G
Figura 1.8 – Sequência de testes do SCR
K
A G
Notamos que na figura 1.8a o multímetro mostra que não há condução, mesmo com polarização direta A(+) e K(-), isto acontece devido a autorização não ser solicitada através do Gatilho(G). Na figura 1.8b observa-se que o SCR permite a condução, pois curto-circuitando os terminais A e G com a ponteira positiva do multímetro, um pulso positivo é dado no gatilho, solicitando a autorização, logo verificamos uma diminuição na resistência indicada pelo instrumento. Na figura 1.8c, retomamos a ligação feita na figura 1.8a, porém a resistência se mantém baixa devido a característica que o SCR apresenta de permanecer em condução após o pulso de disparo, isto só é possível se sua corrente de manutenção for suficiente para tal.
1.7 - IDENTIFICAÇÃO E PARÂMETROS PARA A ESCOLHA DE UM SCR Com a folha de dados técnicos de um SCR em mãos, é importante que saibamos o significado de alguns parâmetros existentes na mesma para que possamos especificar o nosso SCR, são eles:
DADOS TÉCNICOS DE TENSÃO: VD VDSM VDRM VDWM t VRWM VRRM VRSM
VR Figura 1.9 - Sinal da rede com os transientes
VRSM : Pico de tensão reversa não repetitivo(surto). Esta capacidade é quotada para transientes com o tempo de duração t 10ms. VRRM : Pico de tensão Reversa repetitivo. É o valor de pico dos transientes que ocorrem em todos os ciclos. VRWM: Tensão de crista de trabalho, no estado de corte, aplicada no sentido inverso. VDSM : Tensão de pico não repetitivo(surto), no estado de corte, aplicada no sentido direto. VDRM : Tensão de pico repetitivo, no estado de corte, aplicada no sentido direto. VDWM : Tensão de crista de trabalho, no estado de corte, aplicada no sentido direto. 9
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Obs: Quando o tiristor é operado diretamente na rede de energia elétrica, é recomendável que se escolha um dispositivo cujas capacidades de tensão de pico repetitiva VRRM e V DRM sejam pelo menos 1.5 vezes o valor de pico da tensão senoidal de alimentação, ou seja, VDRM VDWM.
DADOS TÉCNICOS DE CORRENTE ITAV : Valor médio da forma de onda ideal de corrente da rede durante um ciclo, supondo a condução durante 180º ITRMS : Corrente RMS(eficaz) no estado de condução. ITRM : Corrente de pico repetitiva na condução. ITSM : Corrente de pico não repetitiva(surto) na condução. Este tempo é estabelecido para ½ ciclo do sinal da rede. IH : Corrente de manutenção( Holding Current ). É o valor de corrente anódica abaixo do qual o SCR corta. IL : Corrente de engatamento( Latching Currente ). É o mínimo valor de corrente anódica necessário para o engatamento do tiristor.
DADOS TÉCNICOS GATILHO-CATODO VGRM : Tensão reversa máxima de gatilho. VGD : Tensão máxima aplicada ao gatilho que não provocará o chaveamento do estado de bloqueio para o estado de condução. IGTM : Máxima corrente de disparo de gatilho. IGT : Mínima corrente de disparo de gatilho. PGM : Máxima dissipação de potência no gatilho.
Obs: Uma folha de especificação consta em anexo no final deste material.
CODIFICAÇÃO DA SÉRIE TIC Devido a família dos tiristores da série TIC ser a mais comumente encontrada no mercado, efetuaremos a identificação dos tiristores através dos códigos impressos no corpo dos mesmos, como mostram os exemplos relacionados nos itens a seguir: 1 – Número 1(um) iniciando o número da série representa tiristor unidirecional ( SCR ) e o número 2(dois) iniciando o número de série representa tiristor bidirecional.
Ex: TIC 106 Indica tiristor unidirecional
TIC 206 Indica tiristor bidirecional
2 – A letra que segue o número da série representa a tensão V DRM( Tensão máxima direta, com tiristor bloqueado). Ex: TIC 106 - A
100V
TIC 106 - B
200V
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2. O RETIFICADOR CONTROLADO DE SILÍCIO DE MÃO DUPLA “O TRIAC” 2.1 - CONCEITO E FUNDAMENTOS a) CONCEITO: É um dispositivo que permite a passagem de corrente em ambos os sentidos, conhecido também como dispositivo bidirecional , já que o SCR é um dispositivo unidirecional . 2.2 - CONSTITUIÇÃO INTERNA E SIMBOLOGIA O TRIAC “por dentro” é equivalente a dois SCR`s ligados em paralelo, porém “cada um olhando numa direção”... Os terminais de controle ( gatilhos ) são “juntados” para que ambos os SCR`s possam ser autorizados através de um único contato esterno, como pode ser visto na figura 1.10. Percebemos então que a constituição interna de um TRIAC apresenta as mesmas características de um SCR. M1
A K
SÍMBOLO
G G
A
G
(a)
Figura 1.10 – a) Simbololgia b) Constituição interna
K
M2
(b)
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO TRIAC O TRIAC funciona da seguinte maneira:
Normalmente o componente fica intercalado entre a carga e a rede de alimentação CA e ao receber, pelo seu terminal de gatilho( G ) uma polarização positiva( em relação ao terminal M2), “entra em condução plena”, permitindo a passagem da corrente elétrica pela carga, nos dois sentidos, como mostram as setas. Para que a corrente na carga permaneça, contudo, é necessário que a polarização positiva no gatilho também seja constante, isso porque, da mesma forma que ocorre com o SCR, o TRIAC “desliga” sempre que a tensão entre seus terminais M1 e M2 cair a “zero”( ainda que momentaneamente).
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2.3 – CURVA CARACTERÍSTICA DO TRIAC
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Figura 1.11 – Curva característica do TRIAC
Como pode ser observado, o TRIAC pode conduzir nos dois sentidos de polarização. E no que diz respeito aos parâmetros da curva, são equivalentes aos vistos na curva do SCR. Uma diferença importante entre o TRIAC e o SCR que podemos citar é que o SCR requer uma tensão de gatilho positiva, enquanto o TRIAC irá responder tanto a uma tensão de gatilho positiva quanto a uma negativa. Isto significa dizer que o seu disparo, que pode ser em qualquer direção, pode ser reduzido fazendo-se o gatilho mais positivo ou mais negativo, com relação ao M1, que é usado como terminal de referência. Em suma, pode-se dizer que a curva característica do TRIAC mostra as características de um SCR nas duas direções, e quanto aos parâmetros da curva, a denominação e conceito são equivalntes aos definidos na curva característica do SCR.
DESVANTAGENS DO TRIAC EM RELAÇÃO AO SCR Embora o TRIAC tenha a capacidade de controlar a corrente nas duas direções e responder a correntes e gatilho que fluam em qualquer destas direções, o dispositivo apresenta certas desvantagens quando comparado ao SCR. Em geral, os TRIAC`s têm valores de corrente menores que os do SCR e não competem com estes quando correntes extremamente elevadas devem ser controladas. A frequência máxima na qual o TRIAC pode operar, fica em torno de 300Hz, visto que o mesmo opera nos dois semiciclos da rede.
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2.3 - TRIAC`s COMERCIAIS No comércio, através da consulta do data Book, encontramos TRIAC`s com valores de ITRMS de até 300A e valores de VDRM de até 1.6kV. Por estes dados, podemos perceber que 300A é pouco, frente ao SCR que possui valores de corrente acima de 3000A. Nas figuras 1.12 e 1.13, respectivamente são mostrados alguns tipos de encapsulamentos fabricados para o mercado e alguns TRIACS fabricados para potências mais altas. O invólucro mais conhecido é o TO220(TO220AB) dos quais se utilizam as séries TIC”xxx”, BTA12”AAA” e vários tantos outros triacs mais comuns.
T092
T0202-1
T0202-2
T0220AB
T0P3
RD91
Figura 1.12 – Tipos de encapsulamento do TRIAC
Figura 1.13 – TRIAC’s para alta potência
2.4 - IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DE UM TRIAC G – Gatilho M1 – Anodo 1 ou Main Terminal 1 M2 – Anodo 2 ou Main Terminal 2 Obs: Main Terminal = Terminal principal G M2 M1
Figura 1.14 – Terminais do Triac
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Alguns invólucros de TRIACS apresentam denominações diferentes com relação aos terminais de ligação, a figura 1.15 mostra um conjunto desses invólucros.
Figura 1.15 – Invólucros com denominações de terminais ligeiramente diferentes
2.5 - TESTE DE UM TRIAC Na prática, devemos encontrar duas resistências baixas no teste do TRIAC. Estas duas resistências baixas são entre os terminais M1 e gatilho, nos dois sentidos de polarização(algo em torno de 10 a 200ohms), pois estamos pegando a resistência da pastilha P comum a estes dois terminais. O terminal que sobrou, quando encontramos duas resistências baixas, é o M2, inclusive o M2, na maioria dos casos, é a carcaça do TRIAC. Para identificarmos quem é M1 e gatilho, devemos consultar o manual, pois através do teste prático não podemos diferençar estes dois terminais. 3. O TRANSISTOR UNIJUNÇÃO( UJT ) 3.1 - CONCEITO E FUNDAMENTOS
CONCEITO É um transistor que comporta apenas de uma única junção.
3.2 - CONSTITUIÇÃO INTERNA E SIMBOLOGIA Formado por dois blocos de material semicondutor, um do tipo P e outro do tipo N, semelhante a um diodo. O material P, entretanto é de dimensões bem reduzidas em relação ao material N, ficando como que Embutido no mesmo, como mostra a figura 1.16. BASE 2 B2 E P EMISSOR
UJ T
B1 Figura 1.16 – Constituição interna
N BASE 1
Figura 1.17 – Simbologia 14
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3.3 – PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO De acordo com o diagrama estruturado( fig. 1.18 ) onde representa o transistor de unijunção, caso o terminal B2 seja ligado ao positivo de uma fonte de Alimentação E o terminal B1 ao negativo de tal fonte, uma corrente muito pequena circular Através dos “resistores série”, RB2 e RB1. Isto ocorre devido os valores ôhmicos desses resistores serem elevados( semicondutor). Porém B2 ao aplicarmos uma tensão positiva ao terminal E, estaremos RB2 polarizando diretamente o diodo, dessa forma uma corrente I começará a circular no sentido indicado, como mostra a figura 3.2. E
RB1
RB2 D1 DI ODE
+ -
I
B1
RB1
+
Q1 UJ T
-
Figura 1.18 – Condução do UJT e diagrama estruturado
Assim que a tensão de entrada ultrapassar 0.6V, que é o limite mínimo, a resistência interna da base( RB1 ) cai significativamente para um valor muito baixo, fazendo com que a corrente que percorre B2 para B1, aumente sua intensidade. Caso o sinal de tensão caia para valores abaixo de 0.6V, imediatamente a resistência interna RB1 “sobe ”, novamente para um valor elevado impedindo assim que haja circulação de corrente.
Figura 1.19 – Curva característica do UJT
3.4 - PARÂMETROS IMPORTANTES DA CURVA VP - Tensão de pico. Esta tensão também é conhecida como tensão de disparo do UJT .
15
C
- (Intrinsic Stand-off ratio) Relação intrínseca de corte. RB1 É a relação e a faixa de é de 0.51 a 0.82. Dado que RBB é a RBB resistência medida entre os terminais de base com o emissor aberto. O valor de RBB está na faixa de 4K a 10K . IP – Corrente de pico. É a corrente de emissor mínima necessária para disparar o UJT. O valor de I P está na faixa de 2A a 25A para os diversos UJT’s encontrados no mercado. VV – Tensão de vale. É o valor de tensão de emissor abaixo do qual ocorre o corte do UJT. Esta tensão de encontra na faixa de 1V a 5V. IV – Corrente de Vale. É o valor máximo de corrente de emissor na região de resistência negativa. A faixa de valores de IV Para UJT’s comerciais é de 1mA a 10mA.
3.4 – IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DO UJT B1 – Base 1 B2 – Base 2 E - Emissor
Figura 1.20 – Terminais do UJT
3.5 – TESTE DE UM UJT Para que se verifique o estado de Um UJT, efetua-se as medições segundo a tabela de teste resumida , como mostra a tabela 1.1.
POLARIZAÇÃO B2+ B2E+ EE+ E-
B1B1+ B1B1+ B2B2+
RESISTÊNCIA MEDIDA RBB RBB RB1 RB2
Tabela 1.1 – Tabela teste do UJT 16
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4.O DIAC ( DIODO DE CORRENTE ALTERNADA ) 4.1 – CONCEITO E FUNDAMENTOS CONCEITO É uma chave bidirecional disparada por tensão, muito utilizada nos circuitos de disparo, onde a tensão no qual o DIAC é submetido ocorre normalmente entre 20V e 40V.
4.2 – CONSTITUIÇÃO INTERNA E SIMBOLOGIA O DIAC é construído, em grande parte, do mesmo modo que um transistor bipolar. O dispositivo tem três camadas semicondutoras alternadamente dopadas, como se pode ver na figura 1.21. Entretanto ele difere do transistor bipolar devido às concentrações de dopagem em torno das duas junções serem iguais e aos terminais conectados unicamente às camadas externas. Não há conexão elétrica na sua região intermediária. Uma vez que o DIAC tem apenas dois terminais, ele é geralmente encapsulado em invólucros de metal ou plástico com terminais axiais. Portanto, o dispositivo lembra em muito um diodo de junção PN comum na aparência. Porém, ele é, algumas vezes, também encapsulado como um transistor bipolar convencional, mas com apenas dois terminais. T1
P N P T2
Figura 1.21 – Estrutura interna do DIAC
Figura 1.22 – Símbolos do DIAC
4.3 – CURVA CARACTERÍSTICA DO DIAC
Figura 1.23 – Curva característica do DIAC
Como pode ser observado, a curva característica do DIAC mostra que a condução do mesmo se dá a partir do momento em que o nível de tensão ultrapassa V BO( tensão de Breakover), em ambas as polaridades, caracterizando assim o DIAC como um componente bilateral. 17
C
4.3 –IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS DE UM DIAC T1
T1
Figura 1.24 – Curva característica do DIAC
4.4 –TESTE DO DIAC Na prática, realizando o teste do DIAC com um multiteste na escala em ohms, devemos encontrar duas resistências altas entre seus terminais e o resultado sendo positivo, o dispositivo se encontra em perfeitas condições de uso, caso contrário, o DIAC não estará em condições de uso. Em perfeito estado, a resistência entre os terminais do DIAC sempre será alta, pois, como mostra sua curva característica, apenas sua resistência diminuirá caso a tensão entre seus terminais seja maior que VBO, e a tensão aplicada pelo multímetro não chagará a tanto. 4.5 – APLICAÇÕES PARA O DIAC O DIAC é aplicado normalmente em circuitos de proteção contra sobretensão, gerador de dente de serra e disparo de TRIAC. Algumas configurações de circuitos são mostradas nas figuras 1.25 e 1.26.
(b) (a)
Figura 1.25 – a) Circuito gerador de dente de serra b) Forma de onda no capacitor
Figura 1.26 – Circuito de proteção contra sobretensão
18
C
5. O IGBT( TRANSISTOR BIPOLAR DE GATILHO ISOLADO ) 5.1 – CONCEITO E FUNDAMENTOS
CONCEITO Formado por quatro camadas dispostas na sequência P-N-N-P, o IGBT não faz parte da família dos tiristores, porém este é um componente “híbrido” por apresentar características tanto dos transistores bipolares(alta velocidade de operação) quanto dos transistores FET( pequena perda na condução).
5.2 – CONSTITUIÇÃO INTERNA E SIMBOLOGIA
(Dreno)
(Fonte)
(a)
Figura 1.27 – a) Estrutura interna do IGBT b) Símbolos do IGBT
(b)
A estrutura de um IGBT é constituída em duas partes: A Primeira envolve o canal–n, juntamente com camadas n- , p e dopadas com n+. Este conjunto é chamado de MOSFET, devido o princípio de funcionamento interno se igualar a este. A região n - é denominada de Dreno (fictício) D’ do MOSFET, a camada da região p abrange o Gate (G) e alcança a região n-dopada( n + ) que é conectada a fonte S. A Segunda envolve uma camada longa contendo uma dopagem p+ .Chamada de Substrato, esta camada é responsável pela injeção de portadores minoritários e parcialmente pela baixa tensão de trabalho e alta condutividade entre o Dreno( D ) e a fonte ( S ) do IGBT, estando conectada ao Dreno( D ) do IGBT. e sob esta camada é inserido uma outra contendo uma dopagem n ( n- ) e logo após esta encontramos uma camada p, comentadas anteriormente na primeira parte. A formação desta Segunda parte representa um transistor bipolar pnp, e opera como tal. O Gate( G ) é isolado eletricamente das porções de dopagem das camadas por uma camada muito fina de Dióxido de Silício ( SO 2 ), este isolante é um tipo particular denominado Dielétrico, que cria campos elétricos opostos.
19
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5.3 - PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Figura 1.28 – Estrutura interna de um IGBT FUNCIONAMENTO:
Ao se alimentar positivamente o terminal Gate, haverá a criação de um campo Elétrico devido a existência do Dielétrico, este campo criado induzirá cargas positivas que incidirão sobre a região p, onde se faz próximo e repelirá suas cargas positivas( + ), criando lacunas, e dessa forma ocorrerá a atração de elétrons para esta região, elétrons estes vindos das n+-dopadas, colaborando assim para a formação de um canal que chamamos canal – n. Com a criação deste canal inicia o processo de condução de corrente através do IGBT. Esta condução de corrente se dá entre o Dreno( D) e a Fonte(S), e atravessa a região p, de onde se fez o canal. Quando começa a circulação de corrente no IGBT ocorre um processo de recombinação entre os elétrons da camada n- e lacunas que são criadas a partir da camada p+(Substrato), pois os portadores da camada n - são elétrons e os da camada p portadores positivos, e ainda devido a este fenômeno ocorre um processo de difusão através da junção J 2 , pois os elétrons da Fonte (S) tendem também a se recombinarem com as lacunas em questão. Logo podemos dividir a corrente total de um IGBT em duas importantes componentes a saber: - Uma delas se forma quando da formação do canal-n, Há uma circulação de elétrons entre as regiões n- e n+ via este canal criado na região p. Isto provoca uma criação de lacunas no substrato p, ocasionando como foi explicado antes, uma recombinação entre p e n ,- esta corrente apresenta um valor bastante substancial para o IGBT. - A outra está inclusa no processo de difusão através da juncão J 2 , descrita anteriormente.
20
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5.3 – CURVA CARACTERÍSTICA DO IGBT
Figura 1.29 a) Circuito típico com IGBT b) Formas de onda dos sinais de entrada e saída do IGBT
c) Curva característica ideal do IGBT d) Curva característica real do IGBT
5.4 – IGBT´s COMERCIAIS
SKM 75 GAR 063 D
IRG4BC30F
IRGPC50F SK 13 GD 063 Figura 1.30 – Tipos comerciais de IGBT 21
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5.5 –PINAGEM DO IGBT
1 – GATILHO 2 – COLETOR 3 - EMISSOR 1
2
3
Figura 1.31 – Terminais do IGBT
5.6 –VANTAGENS DO IGBT O IGBT atinge limites de tensão e corrente consideravelmente mais elevados do que dispositivos como o MOSFET que possuem uma faixa mais reduzida de valores, ficando, tipicamente, entre: 100V/200A e 1000V/20A, enquanto os IGBT´S atingem até 1200V/500A. Tais limites especialmente para os IGBT´s têm se ampliado rapidamente em função do intenso trabalho de desenvolvimento que tem sido realizado. Os IGBT´s também apresentam baixas perdas na condução assim como podem trabalhar em freqüências mais elevadas de até 20kHz, inferiores no caso para os MOSFET´s que trabalham em freqüências maiores do que 50kHz.
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EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 1) Conceitue um SCR? 2) O SCR TIC126D possui uma corrente de manutenção(IH) igual a 40mA. Em um certo momento, encontra-se passando pelo mesmo uma corrente de 5A, e logo após, por um motivo qualquer, ocorre uma brusca redução dessa corrente para 30mA. O que você diz sobre o SCR. O mesmo manterá conduzindo a corrente ou entrará em corte? Explique porquê. 2) Explique sucintamente, porque não é viável disparar o SCR aplicando sobre o mesmo uma tensão de breakover com frequência. 4) Dado o TIC106D disposto no invólucro T0220AB, indique a correta pinagem do mesmo.
5) Identifique que defeitos apresentam os SCR´s abaixo, analisando as medidas de resistência.
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6) Por que motivo o TRIAC é chamado de dispositivo bidirecional? 7) Identifique a pinagem do TRIAC TIC216 a seguir:
............ ............ ............
8) Dado o transistor de unijunção abaixo, identifique seu defeito a partir das medições realizadas.
9) De acordo com os testes realizados a seguir, realize o diagnóstico do DIAC
24
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Capítulo II – CIRCUITOS DE DISPARO DE TIRISTORES 1 – INTRODUÇÃO O circuito de disparo de Tiristores representa uma das partes mais importantes nos circuitos de controle. Um correto funcionamento do circuito de disparo, assegurará um bom funcionamento do tiristor e com isto eficiência no controle a ser realizado. Neste capítulo estudaremos os diversos tipos de circuitos de disparo dos tiristores, estes circuitos acionados através de três tipos de fontes: Fonte de sinal CC, fonte de sinal CA e fontes geradoras de pulsos, descrevendo algumas vantagens e desvantagens entre as mesmas. 2 – DISPARO DE TIRISTORES COM SINAL CC NO GATILHO
CIRCUITOS TÍPICOS VCC
VCC
RG
RL
RG
RL
Figura 2.1 – Disparos de Tiristores com sinal CC. (Circuitos Típicos )
Tendo em vista os circuitos da figura 2.1, é possível calcular o valor das constantes RG e RL visando, respectivamente, manter o valor de corrente de gatilho abaixo de IGMAX e acima de IGMIN, e controlar a corrente de anodo que passa pelo Tiristor. Circuitos desta natureza, apresentam um inconveniente. A corrente no gatilho permanece o tempo todo. Isto não é necessário, visto que a necessidade da corrente no gatilho é só na hora do disparo, depois a mesma pode ser retirada. Caso contrário, estamos dissipando energia no gatilho além do necessário, o que não é conveniente.
3 - DISPARO DE TIRISTORES COM SINAL CA NO GATILHO O disparo em CA ocorre quando uma amostra deste sinal alcança um valor suficiente para disparar o Tiristor. Variante com o tempo, o sinal AC alcança o valor de disparo em um ângulo , chamado ângulo de disparo. Neste circuito não acarreta da corrente se manter no gatilho, pois ao Tiristor ser disparado o circuito de gatilho é curtocircuitado.(Ver figura 2.2 ). 25
C
CIRCUITOS TÍPICOS
RL
RL
R1
R1
Vrede Vrede
~
P1
~
P1
C1
C1
Figura 2.2 – Disparos de Tiristores com sinal CA. (Circuitos Típicos )
4 - CONTROLE DE FASE COM SCR Observe o circuito da figura 2.3 e o comportamento da tensão sobre a carga resistiva R L = 100, mostrado na figura 2.4.
P1(200k )
Vrede
~
100
TIC 106B 1k
Figura 2.3 – Circuito de disparo com SCR ( Controle de fase )
O circuito da figura 2.3, como podemos observar, alimenta uma carga resistiva de 100 com uma tensão eficaz Vrede = 127V, através de um SCR TIC 106B, que apresenta IGT = 200A e VGT = 0.6V. A idéia deste exemplo é mostrar que através da escolha de um valor para o potenciômetro P1, tem–se disparos em instantes diferentes em relação ao sinal alternado de entrada ( Vrede ) através do controle de fase , ou seja, controlar a tensão fornecida à carga e, portanto a sua potência . 26
C
FORMAS DE ONDA
Figura 2.4 – Comportamento das tensões na carga para os diversos ângulos de disparo do SCR As formas de ondas características da tensão nos terminais da carga, são mostrados nas ilustrações acima, observe-se que há um valor médio diferente de zero aplicado a carga quando a alimentação da mesma é controlado pelo SCR, e este valor médio pode ser calculado como mostraremos em seguida. É verificado também que a fluxo de potência aplicada a carga é controlado, podendo-se então fornecer mais ou menos potência. Mas do que depende este controle de fluxo de potência para a carga? Vejamos: O valor médio calculado sobre uma carga quando a mesma recebe um sinal 27
C
retificado em meia onda controlado através de um ângulo de disparo, é calculado pela expressão:
V médio
V P (1 COS ) 2
Enquanto o valor eficaz de tensão é dado por:
V eficaz V P
1 sen 2 4 4 8
Logo é possível então aplicarmos estas equações para calcularmos a tensão média e eficaz aplicadas na carga de um circuito qualquer que se utilize de dispositivos como o SCR para o controle de potência sobre a mesma. A potência então pode ser calculada pela expressão que segue: 0
V 2 eficaz Peficaz R L Notamos que assim como a tensão eficaz varia segundo um ângulo, chamado ângulo de disparo, varia a potência consumida pela carga, conclui-se então que o fluxo de potência sobre a carga depende do ângulo em que o SCR é disparado. A tabela abaixo mostra alguns valores de grandezas para os ângulos de disparos em questão, verificados para o circuito da figura 2.3 Ângulo de disparo() 2º 15º 30º 60º 90º
Tensão na rede( Vrede ) 6.3V 46.5V 89.8V 155.5V 179.6V
Tensão média na carga( Vmedio ) 57.1V 56.2V 53.3V 42.9V 28.6V
Tensão eficaz na carga( Veficaz ) 89.8V 89.6V 88.5V 80.5V 63.5V
Potência consumida pela carga( Peficaz ) 80.64W 80.28W 78.32W 64.80W 40.32W
Você pode observar que o valor máximo da tensão de rede é obtido com um ângulo de disparo de 90º, e isto nos leva a concluir que a partir deste ângulo não temos mais controle de potência sobre a carga, “e agora José ? ” o que faremos..... Fique tranqüilo caro leitor, logo adiante mostraremos circuitos de disparo que permitem variar o ângulo de 0º a 180º no semiciclo positivo assim como de 180º a 360º no semiciclo negativo, caso estejamos trabalhando com circuitos para disparar o TRIAC. No primeiro instante entenderemos o por quê deste limite de controle em torno de 90º, certo?
28
C
Observe a figura 2.5.
Figura 2.5 – Tensão de disparo Verifica-se que o circuito se encontra projetado de tal forma que quando o sinal de tensão da rede alcançar 89.8V, o SCR estará com uma corrente de gatilho necessária para garantir seu disparo, que neste caso se dará em = 30º. Analisaremos agora para o Caso em que = 150º, dado que V rede 127. 2. sen150 0 . Calculando-se o valor desta tensão encontra-se Vrede = 89.8V. Opa! Mas esse valor não é o mesmo para = 30º ? . Pois é caro leitor, é dessa forma que concluímos a impossibilidade deste circuito atingir ângulos maiores do que 90º, entendeu? A figura 2.6 ajuda a esclarecer este ponto.
Figura 2.6 – Tensão de disparo para = 30º e = 150º
5 - CONTROLE DE FASE COM TRIAC Semelhante ao SCR, o TRIAC também pode ser utilizado para o controle de fase de tensão alternada, levando em conta as mesmas considerações adotadas a respeito do limite do ângulo de disparo do SCR. Um circuito típico de disparo de TRIAC é mostrado na figura 5.1, bem como as formas de onda para os ângulos = 2º, = 15º, = 30º, = 60º, = 90º adotados para o circuito com SCR, mostradas na figura 2.7
29
C
100
R1
~
100
R2 0. 1uF
Figura 2.7 –Circuito de controle de fase com TRIAC
FORMAS DE ONDA
Figura 2.8 – Comportamento das tensões na carga para os diversos ângulos de disparo do SCR 30
C
Observa-se nas formas de onda da figura 2.8 que o controle de fase no TRIAC, diferente do controle em SCR’s, é feito nos semiciclos positivo e negativo. Assim como os resultados do circuito com SCR, é possível calcular os valores de Vmédio, Veficaz e a P eficaz utilizando circuitos com TRIAC’s através das relações matemáticas mostradas a seguir:
V médio 0
1 sen 2 V eficaz V P 2 2 4
V 2 eficaz Peficaz R L
A partir dessas relações, obtemos assim uma tabela para os ângulos de disparo em questão mostrados nos gráficos da figura 2.8 Ângulo de Tensão na disparo() rede( Vrede ) 2º 6.3V 15º 46.5V 30º 89.8V 60º 155.5V 90º 179.6V
Tensão média Tensão eficaz na Potência consumida na carga( Vmedio ) carga( Veficaz ) pela carga( Peficaz ) 0 127V 161.29W 0 126.8V 160.78W 0 125.2V 156.75W 0 113.9V 129.73W 0 89.8V 80.64W
Observando com cuidado a tabela, podemos destacar duas grandezas que apresentam valores curiosos em relação a tabela destinada ao SCR. Pois bem, uma delas é a tensão média na carga( Vmedio ), que apresenta valor nulo para todos os ângulos de disparo, você sabe o porquê? Caso você preste atenção nas formas de onda apresentadas na figura 2.8, o ângulo de disparo é igual nos dois semiciclos e como a forma de onda da tensão na carga é simétrica, o seu valor médio é nulo. A outra grandeza é a potência eficaz consumida pela carga. Verifica-se que a mesma para o circuito com TRIAC’s apresenta valores maiores do que aquelas observadas para os circuitos com SCR’s, e você sabe porque? Para um ângulo de disparo de 2º é visto que na figura 2.8, mais senóide é aplicada a carga, comparado ao observado na figura 2.6, e isto significa dizer que mais potência é fornecida à carga. Dessa forma é fácil entendermos que uma mesma lâmpada acenderá com mais intensidade quando ligada a um circuito com TRIAC, e menos intensidade quando ligada a um circuito com SCR. Vimos que até o momento, trabalhamos com circuitos de disparo que limitam o ângulo em até 90º, no semiciclo positivo e 270º no semiciclo negativo, este controle de potência portanto não é completo, ou seja, não se desenvolve de 0º a 180º e 180º a 360º, variando a potência desde 0(zero) até o valor máximo, o controle desta natureza é estudado no tópico seguinte, que trata sobre disparo por rede defasadora.
31
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6 – DISPARO POR REDE DEFASADORA A idéia destes circuitos é produzir um ângulo de disparo ’ maior que 90º em relação à tensão da rede, na figura 2.9 representado por + . = Ângulo de disparo normal = Atraso da rede defasadora = Defasagem no disparo ’ = Ângulo de disparo com rede defasadora.
Figura 2.9 – Comportamento da tensão de disparo com rede defasadora A figura 2.9 mostra que a tensão de rede ao alcançar o valor de V , o disparo acontece para um certo ângulo , deslocado o sinal de tensão no circuito de disparo de um ângulo , verifica-se que o disparo se dará em um ângulo maior que o primeiro, ora, então descobrimos a filosofia da solução do nosso problema, pois dessa forma podemos disparar o tiristor sob ângulos maiores que 90º, não é mesmo? Identificamos então um circuito típico capaz de gerar este sinal defasado, como mostra a figura 2.10 car ga
R1 D2
Vrede
SCR
R2 D1
C1
Figura 2.10 – Circuito típico de disparo com rede defasadora O ângulo ( discutido anteriormente ) que representa a defasagem da tensão de disparo, tomada sobre o capacitor, em relação a tensão da rede, depende do valor da constante de tempo = ( R 1 + R 2 )C1. Variando-se valor do resistor R 2, é possível então alterar o valor do ângulo de defasagem em questão, mudando assim o ângulo em que ocorrerá o disparo do SCR. O diodo D1 garante que só haverá corrente de gatilho no semiciclo positivo da tensão da rede, evitando perdas desnecessárias no gatilho do SCR quando este estiver bloqueado. O diodo D2 conduz no semiciclo negativo carregando C1 com tensão negativa. Isso garante que, em cada semiciclo positivo, o capacitor comece sempre a se carregar a partir de uma tensão fixa, mantendo a regularidade do disparo. 32
C
EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 1) Dado o circuito abaixo, responda por que não é viável sua utilização. VCC
RG
RL
2) Responda se o circuito de disparo em CA, como mostra a figura abaixo, apresenta vantagem sobre o circuito de disparo CC, montado no exercício ( 1 ). Justifique sua resposta. RL
R1
Vrede
~
P1
C1
3) Partindo do circuito mostrado na figura abaixo, explique sucintamente a idéia de como podemos disparar em instantes diferentes o SCR, de acordo com o sinal alternado de entrada.
P1(200k )
Vrede
~
100
TIC 106B 1k
33
C 4) Qual a vantagem do controle do fluxo de potência efetuado com o TRIAC comparado com o SCR? 5) Responda se é possível controlarmos o valor médio de tensão na carga, utilizando-se um circuito com TRIAC. Justifique sua resposta. 6) Explique a função dos diodos D1 e D2 no circuito abaixo. car ga
R1 D2
Vrede
SCR
R2 D1
C1
7 – DISPARO POR PULSOS E COMPONENTES ASSOCIADOS O disparo por pulsos é vantajoso em relação ao disparo CC no que diz respeito a potência dissipada na junção gatilho - catodo além da possibilidade de obter isolação entre os sinais de disparo e o dispositivo. Esta isolação, “Galvânica”, não permite a passagem de corrente de um lado para outro do circuito, mantendo assim a integridade do dispositivo. Esta isolação normalmente é feita através de “ Transformadores de pulso” e “ Acopladores ópticos”, estudados mais adiante.
8 – TRANSFORMADORES DE PULSO Especialmente projetados para a transmissão de pulsos de disparo aos SCR’s e TRIAC’s, os transformadores de pulso devem apresentar como exigência um ótimo acoplamento entre o primário e secundário além de possuir uma elevada isolação ( tipicamente da ordem de kV ), esta isolação é importante para evitar que tensões desenvolvidas nos enrolamentos, em função da operação normal do conversor, possam causar-lhes danos, e quanto ao acoplamento ser perfeito pode ser melhor entendido nas ilustrações mostradas na figura 8.1.
Figura 2.11 – Espalhamento da corrente ao longo do disparo
34
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Verifica-se portanto a medida que a corrente no gatilho é injetada transversalmente, uma corrente Anodo – catodo vai encontrando uma maior facilidade na passagem ao longo da seção do dispositivo, porém caso não haja conformidade nesta distribuição, devido a um possível mau acoplamento, a corrente I se concentrará mais em uma única região provocando um aquecimento( ponto quente ) podendo danificar o componente.
TRANSFORMADORES DE PULSO COMERCIAIS
Figura 2.12 – Transformador de pulso
9 – ACOPLADORES ÓPTICOS OU ISOLADORES ÓPTICOS Estes dispositivos surgiram na década de 70 e foram desenvolvidos com a finalidade de isolar pulsos de disparo. Os acopladores ópticos consistem em uma fonte de luz(fotoemissor) e um fotosensor, que deve ter alta sensibilidade na faixa de frequência de luz emitida pelo fotoemissor. O fotosensor pode ser um transistor ou até um SCR ou TRIAC, disparados num mesmo invólucro, como ilustra a figura 2.13.
b) a)
c)
Figura 2.13 – a) Esquema interno de acoplador óptico b) Acoplador óptico com fototransistor c) Encapsulamento do componente Um inconveniente em usar acopladores ópticos com transistor é a necessidade de uma fonte adicional, para polarizar o circuito de coletor do transistor e fornecer a corrente de gatilho ao SCR ou TRIAC. Imagine, caro leitor, que você agora deseje disparar um tiristor utilizando-se de um acoplador óptico com transistor, como mostra a figura 2.13, verifique que será necessário uma fonte adicional para polarizar o circuito de coletor do transistor e assim fornecer a corrente de gatilho para efetuar o devido disparo, isto não será inconveniente? 35
C
Claro que sim, pois haveria um circuito mais complexo para o disparo de seu tiristor, pois bem, há uma solução interessante para este caso, que é o uso de acopladores ópticos com tiristores, ilustrado na figura 2.14.
Figura 2.14 – Circuito integrado MOC3011
TIPOS COMERCIAIS MOC3020 MOC3021 MOC3022 MOC3023
Figura 2.15 – Circuito típico de disparo com o MOC3011
CIRCUITO DE DISPARO COM FOTOTRIAC CARGA R3
F1
MOC3011
+V R1
R2
D2 VCONTROLE
1/4 - 7400
Q1 Q2
“1”
Figura 2.16 – Circuito típico de disparo com o MOC3011 Observe na figura 2.16 que para que seja acionado o TRIAC Q 1, o sistema digital deve fornecer nível lógico “1” a entrada de controle da porta nand. Assim, o pino 2 do MOC3011 vai para nível lógico “0” e o led D2 fica polarizado diretamente, disparando o fotosensor Q2 e, como consequência, o TRIAC Q1. 36
C
Para podermos especificar um circuito integrado desta natureza é importante estarmos atento a dois parâmetros: A tensão máxima reversa(VRRM) e a corrente máxima direta(ID), suportadas pelo elemento fotosensor, no caso o TRIAC. Uma breve análise do comportamento do circuito com o MOC3011 quanto ao uso dentro de seus parâmetros máximos, é feito para que possamos ter a idéia da sequência de cálculos para um bom dimensionamento do circuito de disparo. A partir da figura 2.16 e dado as características do TRIAC Q 1, assim como do circuito integrado MOC3011 faremos a análise.
PARÂMETROS DO TRIAC Q1 VGT 2V IGT 100mA
PARÂMETROS DO MOC3011 LED IA 10mA(min) 50mA(max) VF 1.3V-10mA
VRRM,VDRM VT I 6 Tabela 2.1 – Parâmetros do TRIAC e do MOC MOC 3011
TRIAC 250V(min) 3V(max) – 100mA 1.2A(max)
Visto que a tabela 2.1 nos mostra os parâmetros do MOC3011, a corrente I A de entrada do pino 1(anodo do led) deve ser inferior a 50mA,. Para não danificar o dispositivo, e deve ser superior a 10mA, para garantir o disparo de Q2. Desejamos então dispararmos o TRIAC Q2, tendo no pino 2 nível lógico “0”, a corrente IA vale:
I A
5 V F 5 1.3 12.3mA 300 R1
Desta forma o MOC3011 está protegido e garante o disparo do TRIAC interno Q 2. Para garantirmos a proteção do TRIAC Q2, a partir da carga a ser acionado, é necessário calcularmos o valor do resistor R 1, inserido no pino 6, vejamos: V 2 REDE (127) 2 161.29 R L P L 100 Portanto, a corrente máxima no pino 6 será: I 6
V REDE 127 2 0.529 A R2 R L 341.29
Isto garante que o TRIAC interno não será danificado, pois opera com corrente menor que máxima permitida(I6 = 1.2A). Garantidas então as condições normais de trabalho do MOC3011, é possível determinar o que nível de tensão da rede, o TRIAC Q 1 irá Disparar, dado que saibamos seus parâmetros. A partir da tabela 9.1, temos que IGT = 100mA e VGT =2V, considerando que VT =3V (TRIAC Q2), obtemos então através do circuito em questão: 37
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I GT
V REDE V T (Q2 ) V GT (Q1 ) R1 R2 V REDE 3 2 , V REDE 39.13V 341.29
100 x10 3
Isto significa que a tensão da rede ao atingir 39.13V, o TRIAC Q1 será disparado. Você deve estar questionando o fato do controle de potência, não estar disponível nesta tipologia de circuito, não é? Pois bem, é possível sim criarmos um controle de ângulo de disparo nesta topologia de circuito, basta inserirmos no pino 6 um resistor variável(R V), e logo teremos disparos para vários valores de tensão da rede. Porém temos que ter um cuidado especial com o mínimo valor para esta resistência inserida no pino 6, pois poderá haver um aumento de I 6 superior ao suportado pelo TRIAC Q2. Uma recomendação para evitarmos este tipo de problema, é inserirmos em série com o resistor variável(R V) uma resistência que garante o valor limite quando este resistor estiver próximo de zero(0), como ilustra o circuito da figura 2.17 100W F1 1A
5V
MOC3011
300 R2
180 R1
VRede
R3
D2
Vcontrole 1/4 - 7400
Q1
Q2
“1”
Figura 2.17 – Circuito Circuito de disparo com com MOC 3011
10 – CIRCUITO DE DISPARO PULSADO COM UJT OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT R1 +
E
VCC VCC
B2
B2 UJ T
C1
RB2 RB2
RB1 RB1
B1 RB2 RB2
+
R1 VCC VCC
E
r b2 D1 DI ODE
C1
r b1
B1 RB1 RB1
(a) a) Circuito Figura 2.18 Circuito típico de um oscilador com UJT
(b) b) Oscilador de relaxação com circuito circuito equivalente do do UJT
38
C
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
Observe a figura 2.19, inicialmente ao aplicarmos uma tensão VCC, o capacitor se carregará até que o diodo dom emissor comece a ficar polarizado diretamente. Quando a tensão no capacitor atingir a tensão de disparo do UJT(V p), O mesmo conduz, temos então uma diminuição de r b1, permitindo então que o capacitor C 1 se descarrega sobre (R B1 B1 + r b1). Esta descarga se dará até que o UJT entre novamente no estado de corte.
R1
E
+ VCC1
D2 DI ODE r b1
C1
B1 RB1 RB1
Figura 2.19 – Circuito equivalente ao oscilador de relaxação após o corte do UJT Este ciclo se repete segundo constantes de tempo, de carga e descarga, formando assim um circuito oscilador. E o que são constantes constantes de tempo? Vejamos, Por definição, uma constante de tempo é o tempo necessário para que o capacitor se carregue( ou descarregue) em até 63% do valor de tensão de entrada no circuito, e é dada pela expressão = RC. No nosso caso temos duas dua s diferentes constantes de tempo a considerar, co nsiderar, a de carga e a de descarga, respectivamente representadas pelas expressões: carga = R 1C1 e descarga = (R B1 B1 + R B1 ) C1, e o comportamento das mesmas então observados na figura 2.20. VE VP
Tensão de disparo
VV
Tensão de vale t
VB1 VB1
Tensão no terminal B1( usada para disparar tiristores) Tensão contínua em B1 t
VB2 VB2
0
Tensão no terminal B2
t1 t2
t
Figura 2.20 – Circuito equivalente ao oscilador de relaxação após o corte do UJT 39
C
Verifica-se que de 0 a t 1, o capacitor se carrega através de R 1, com constante de tempo carga = R 1C1. Em t 1, o UJT dispara e entre t 1 e t 2, o capacitor se descarrega com uma constante de tempo descarga = (r B1 B1 + R B1 ) C1, de valor menor do que carga. Aprendemos então como funciona o circuito de um oscilador de relaxação com UJT, mas de que forma podemos nos servir do mesmo para disparar um SCR ou TRIAC? Veja bem, bem, caro leitor, observe que na na figura 2.20, a forma de onda adquirida no no terminal de B1 representa pulsos de tensão e exatamente estes que são utilizados para disparar os tiristores em questão. O circuito típico para o disparo de SCR´s ou TRIAC´s é mostrado na figura 2.21. car ga R2 R1 +
Vcc
UJ T SCR
C1
~
Vrede
R3
Figura 2.21 – Circuito típico de disparo de SCR com UJT
r bb I p Iv
PROJETO DE UM OSCILOSDOR DE RELAXAÇÃO COM UJT Para que um SCR seja disparado com sucesso através de um circuito como mostrado na figura 2.21, é preciso especificarmos os parâmetros do mesmo. É necessário então efetuarmos alguns cálculos baseando nas características do UJT, assim como nas características do SCR que desejamos acionar, um exemplo ilustrativo é do SCR que desejamos acionar, um exemplo ilustrativos é mostrado a seguir, apresentando a você de que forma podemos obter os parâmetros deste circuito oscilador. osc ilador. Para o projeto em questão iremos considerar o circuito da figura 2.21, com o UJT 2N2646 e o SCR TIC 106, onde algumas de suas características são apresentadas a seguir:
UJT – 2N2646 0.56(min) 0.75(max) 4.7k (min) 9.1k (max) 1A(tip) 5A(max) 4mA(min) 6mA(tip)
SCR – TIC106 VGD=0.2V VGT=1V - CÁLCULO DOS PARÂMETROS R 1, R 2, R 3 E C1 CÁLCULO DE R2: 40
C
Um valor prático de R 2 é calculado em torno de 15% de r bb, verificado nas características técnicas do dispositivo. CÁLCULO DE R 3: Dado Vcc, calcula-se o valor de R 3 através da relação:
R3
0.6 x( R2 r bb (min)) Vcc
CÁLCULO DE R 1: O valor do cálculo do resistor do emissor(R 1) deve ficar dentro do seguinte limite:
V V V cc V v R1 cc p I v I p A partir da seção 3.4 que trata dos parâmetros do UJT, temos que VV=2V, IV = 4mA e IP = 4A escolhidos assim para efetuarmos o cálculo em questão. Porém Vp é encontrado através da expressão:
V p V D V BB
onde VD = 0.6, = 0.6 e V BB V cc
V cc R2 V3 e Sabendo que V3 < 0.6V, R2 R BB R3
consideraremos então V3 = 0.3V. CÁLCULO DO CAPACITOR C1: Para o cálculo do capacitor, devemos fixar uma faixa de frequência de operação do circuito. O valor de C1 é então calculado pela expressão que segue: 1 , dado que são conhecidos os valores de R 1, f e . C 1 1 R1 f ln 1 Como exemplo, aplicamos então uma tensão de alimentação Vcc = 12V e queremos que a saída do circuito oscile com uma frequência de 1kHZ. De posse então desses dados de entrada e de acordo com a ferramenta de cálculo de cada parâmetro obtemos então o valor dos mesmos mostrados no circuito da figura 2.22. R 2 = 1k , R 3 = 220, R 1 = 10k e C1 = 0.1F 10k
1k R2
carga
Figura 2.22 – Circuito típico de disparo de SCR com UJT
R1 +
Vcc
UJ T
0.1F
SCR
C1
220 R3
~
Vrede 41
C
EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 1)Cite uma vantagem do disparo por pulsos em relação ao disparo CC. 2) Qual a função do transformador de pulso em um circuito de disparo? 3) Cite algumas vantagens do uso de um acoplador óptico no disparo de um tiristor? 4)Dado o circuito abaixo, e consultando os dados técnicos necessários, dimensione o circuito com o objetivo de protegermos o optoacoplador? CARGA(R L=500) R3
F1
+V R1
R2
D2 VCONTROLE
“1”
V = 110V Q1
1/4 - 7400
Q2
5V
5) Dado o circuito abaixo, explique de que forma é possível retardarmos o disparo do UJT.
R1 +
RB1
E
VCC
B2 UJ T
C1
B1 RB2
42
C
OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT SINCRONIZADO COM A REDE
No circuito de disparo visto anteriormente, há um pequeno problema: O ângulo de disparo() é aleatório, pois o circuito gerador de pulsos fica oscilando independente do sinal da rede. Quando isto ocorre, os pulsos enviados podem “pegar” a senóide a cada ciclo, em momento diferente. Como mostra a fig. 2.23 abaixo:
Figura 2.23 – Formas de ondas para o circuito de disparo Com aleatório Para evitar o problema do ângulo ficar aleatório, devemos sincronizar funcionamento do circuito de disparo com o sinal que alimenta o circuito de potência. Um circuito típico de disparo sincronizado com a rede é mostrado na figura 10.7: R
RB2 R1
Vrede
~
D1
UJ T C1 RB1
Figura 2.24 – Circuito sincronizado de disparo com UJT Este circuito funciona da seguinte forma: No semiciclo negativo da tensão de rede, o diodo zener funciona como um diodo normal, pois é polarizado diretamente como mostra a figura 2.25: R1
Vrede
~
D1
I
Figura 2.25 – Etapa de estabilização zener
43
C
Neste instante o oscilador estará em curto e o UJT não irá disparar, permitindo assim que não haja alguma dissipação desnecessária no gatilho, já que no semiciclo negativo o SCR não deve conduzir, como de costume. No semiciclo positivo, até que a tensão de rede atinja a tensão VZ, o diodo zener estará bloqueado. A partir daí o diodo zener irá manter a tensão, no circuito gerador de pulsos, estabilizada no valor de VZ, isto ocorrerá logo no início do semiciclo positivo. Uma vez alimentado, o circuito oscilará normalmente e o primeiro pulso(com ângulo em relação à tensão da rede) irá disparar o SCR. Figura 2.26 – Formas de ondas para o circuito de disparo sincronizado com a rede. Os demais pulsos são desnecessários, mas inevitáveis neste circuito e como os sinais são repetitivos, ou seja, as condições de carga repetem-se em todos os semiciclos negativos, o primeiro pulso ocorrerá sempre com o mesmo ângulo , como pode ser visto na figura 2.26.
11 – CIRCUITO DE DISPARO COM TCA-785 O TCA-785 é um circuito integrado desenvolvido para controlar o ângulo de disparo de tiristores, continuamente de 0º a 180º.
Figura 2.27 – Circuto integrado TCA 785 O TCA-785 faz parte de um grupo de circuitos integrados de disparo. A finalidade destes circuitos é a de facilitar o projeto de circuitos de disparo e torná-los mais compactos e confiáveis. Dentre suas excelentes características é possível destacar: Largo campo de aplicação devido à possibilidade de controle externo; Operação em circuitos trifásicos, utilizando-se 3(três) CI´s; Duas saídas com corrente de disparo( TCA-785 - 250mA), duas saídas adicionais complementares; 44
C
Duração de pulsos de disparo determinado por um capacitor externo; Detecção de passagem de tensão por zero volt; Possibilidade de inibição dos pulsos de disparo; Faixa de fonte de alimentação de 8V a 18V; Consumo interno de corrente até 10mA.
DIAGRAMA DE BLOCOS DO TCA-785
Figura 2.28 – Diagrama de blocos do TCA 785 Para melhor entendermos o funcionamento deste circuito, analisaremos suas principais etapas. DETETOR DE PASSAGEM POR ZERO Vimos a importância do circuito de disparo estar em sincronismo com a rede, para que não ocorra disparos aleatórios dos tiristores. TCA-785 apresenta um bloco chamado DPZ(Detector de Passagem por Zero) que gera um pulso de sincronismo toda vez que a tensão da rede passa por zero. A entrada para a tensão de referência de sincronismo é no pino 5, como mostra a figura 2.28.
b) a)
Figura 2.29 –
a)Detalhe parcial do TCA 785 b) Conexão de referência
45
C
Quanto a tensão de alimentação VS(pino 16) pode variar dentro do intervalo 8V VS 18V, pois a alimentação interna do TCA-785 é regulada em 3.1V pelo próprio CI, de uma tensão de alimentação externa(VS), como pode ser observada na figura 2.29.
GERADOR DE RAMPA O gerador de rampa(cujo controle está na unidade lógica) consiste essencialmente de uma fonte controlada por uma resistência R R . O tempo de subida da rampa é assim determinado pela combinação R R e CR , como pode ser observado na figura 2.30. A tensão fornecida pelo gerador de rampa varia linearmente com o tempo(reta), ou seja, a tensão dobra se o intervalo de tempo dobrar. Em outras palavras, a tensão cresce proporcionalmente ao aumento do tempo, como se vê, por exemplo, na figura 2.30.
Figura 2.30 – Saída de um gerador de rampa A equação então que rege este comportamento da tensão de rampa(VCR ), no capacitor(c r ) é dada por:
V CR
I CR x t C R
Verifica-se então que a equação impõe restrições quanto ao valor de CR , logo para o correto funcionamento do circuito, devem ser considerados os valores mínimos e máximos adotados na prática 500pF e 1F, respectivamente. Um valor elevado de CR tornaria a descarga do mesmo muito lenta, comprometendo o novo ciclo de carga e, consequentemente, o sincronismo do disparo.
46
C
COMPARADOR DE DISPARO DO TCA-785 A finalidade deste bloco é comparar a tensão de rampa(VR ) com a tensão de controle(VC), quando estas forem iguais, envia pulsos nas saídas, via unidade lógica. Obtém-se, então, no pino 15, pulsos positivos no semiciclo positivo da tensão de sincronismo e no pino 14, pulsos positivos no semiciclo negativo da tensão de sincronismo, defasadas entre si de 180º. Uma ilustração do bloco comparador, bem como as formas de onda do sinal de controle e rampa são mostrados na figura 2.31
a)
b)
Figura 2.31 – a)Comparador de disparo do TCA b) Sinal aplicado ao bloco lógico de formação de pulsos Observe na figura 2.31 que a mudança de estado na saída VO do bloco comparador de disparo indicará ao bloco lógico de formação de pulsos, que um pulso de disparo deve ser acoplado a uma de suas saídas, a duração destes pulsos é determinada pela conexão de um capacitor externo C12, entre o pino 12 e o terra e amplitudes iguais a tensão de alimentação do pino 16. Na tabela 2.2 é apresentada uma relação de capacitores para o pino 12 com as respectivas larguras de pulsos. C12 Aberta = 620s/F 30s
150pF 220pF 33pF 680pF 1000pF Curto 93s 136s 205s 422s 620s 180º -
Assim podemos monitorar a largura dos pulsos adquiridos nas saídas do bloco lógico de formação dos pulsos. A figura 2.32 ilustra as formas de onda dos sinais de interesse do TCA 785, apresentando os pulsos adquiridos com larguras diferentes.
47
C
Figura 2.32 – Formação dos pulsos de disparo Observa-se então com mais clareza que os pulsos são criados a partir de interseção do sinal de controle(Vcontrole) com o sinal de rampa(VCR ), e é fácil de percebermos em que caso elevarmos ou abaixarmos o sinal de controle, o pulso irá se deslocar para frente ou para trás, respectivamente. Verifica-se também o quanto a largura do pulso é alterada quando alteramos o valor do capacitor C12, conectado ao pino 12, na verdade, no primeiro momento o pino é deixado aberto e no segundo momento o mesmo é curto-circuitado.
48
C
12 – OUTROS MÉTODOS DE DISPARO DO SCR Os métodos que estudamos até o momento são dedicados a sinais aplicados ao gatilho do dispositivo, disparando-o sob uma tensão bem menor que sua tensão de breakover. Neste tópico analisaremos as possíveis formas de ocorrer o disparo do S R onde alguns destes são indesejáveis e por tal motivo, proteções deverão ser utilizadas para evitar disparos acidentais.
DISPARO POR TENSÃO DE BREAKOVER(VBO) Existe um valor de tensão anodo-catodo capaz de levar o SCR do estado de corte para o estado de condução, sem aplicações de corrente de gatilho(ig=0), conhecido como tensão de Breakover. Este processo de disparo, nem sempre destrutivo, raramente é utilizado na prática, pelo fato de necessitarmos de valores elevados de tensão capaz de fazer o SCR conduzir. DISPARO POR RUÍDO ( SINAIS DE INTERFERÊNCIA) Esta forma de disparo é indesejável, pois um tiristor poderá conduzir a qualquer momento, desde que o gatilho capte estes sinais de interferência. Este tipo de disparo só ocorre para a linha de SCR´s mais sensíveis(ex.: TIC 106) onde pequenos níveis de sinal no gatilho são suficientes para disparar o componente. Para evitarmos um disparo indesejável por ruído, deveremos utilizar um resistor do SCR. Na figura 2.33 temos a localização do resistor que evita o disparo do SCR por ruído e vale a pena ressaltar que em alguns casos(ex.: TIC 116, TIC 126) este resistor já vem colocado internamente no componente. A G RG
K
Figura 2.33 – Disparo por ruído
DISPARO POR VARIAÇÃO DE TENSÃO(dV/dt) Toda junção PN reversamente polarizada, apresenta característica capacitiva. Observe a figura 2.34
Figura 2.34 – Capacitância refletida na junção J2
49
C
A partir do circuito da figura 2.34, observe que ao fecharmos a chave CH1, a capacitância da junção J2 fará com que circule uma corrente de gatilho. Caso o valor da corrente capacitiva seja suficiente para que haja o processo regenerativo, o SCR entra em condução, é aplicado um disparo acidental podendo atém provocar sérios danos ao sistema, como por exemplo um grave curto-circuito. Muito bem, caro leitor, a questão é como reduzirmos este efeito, certo? Então partimos do conhecimento que o capacitor possui a propriedade de se opor a variações de tensão, visto que a tensão nos seus terminais cresce de forma gradativa. Podemos reduzir o efeito da variação brusca de tensão no SCR, colocando um circuito que amorteça esta variação. Este circuito é constituído de um ramo RC em paralelo com os terminais anodo e catodo do SCR, que impedirá que a tensão entre anodo varie bruscamente. Este circuito é conhecido como Snubber(amortecedor).
Figura 2.35 – Circuito SNUBBER
DIS PA RO
POR AUMENTO DE TEMPERATURA A medida que a temperatura é aumentada, diversos parâmetros do SCR variam tais como, Ifuga, VBO e IH. Notamos que o aumento de temperatura, facilita o disparo do SCR, uma vez que um aumento da corrente de fuga, diminuição de VBO e uma diminuição IH, ou seja, as alterações nestes parâmetros contribuem para uma maior facilidade de disparo do componente. DISPARO POR LUZ A incidência de luz em uma junção pode fazer surgir elétrons livres na mesma. A medida que aumenta a incidência de luz, aumenta o número de elétrons livres. Para ocorrer tal tipo de disparo, o componente deve apresentar uma janela que propicie a entrada da luz. Na verdade, o componente disparado pela luz é o LASCR(SCR ativado à luz). O papel do gatilho, neste componente, é possibilitar o controle da intensidade de luz necessária para o disparo do mesmo.
50
C
EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM 1)Explique a função do diodo zener(D1) no circuito abaixo
2)Cite algumas vantagens do TCA 785 3) Explique o funcionamento do circuito detector de passagem por zero, mostrado abaixo VCC
R1
R3
SAÍ DA C S1
60 Hz R2
4)Na configuração do circuito mostrado abaixo, responda qual a função dos diodos D1 e D2?
5)Responda porque é importante mantermos o capacitor e o resistor de rampa fixos?
51
C 6)Responda em qual dos casos abaixo, há um capacitor de valor mais elevado conectado no pino 12 do TCA.
(A)
(B)
7)Explique o que você entende sobra tensão de BREAKOVER 8)Responda de que forma podemos minimizar os efeitos do disparo por ruído em SCR´s tipo TIC 106. 9)Responda de que forma podemos minimizar os efeitos do disparo no SCR causado por variação de tensão ocorrida no momento de ligação de um sistema. 10)Explique de que forma um aumento de temperatura pode fazer com que um SCR dispare.
Capítulo III - CIRCUITOS RETIFICADORES Neste capítulo trataremos dos circuitos retificadores controlados, também chamados de conversores CA-CC, aplicados no fornecimento de uma tensão contínua, de valor médio variável à carga. Entre diversas aplicações de retificadores controlados, podemos destacar: Controle de velocidade de motores CC por tensão de armadura variável, nas indústrias de aço e papel; Fontes de tensão CC variável para alimentação de inversores usados no controle de motores de indução por variação de frequência; Controle de velocidade variável para ferramentas elétricas portáteis. Entre os retificadores monofásicos e trifásicos estudados neste capítulo, temos: 1. Retificador controlado monofásico de meia-onda; 2. Retificador controlado monofásico de onda completa; 3. Retificador controlado monofásico de onda completa em ponte; 4. Retificador semi-controlado monofásico em ponte; 5. Retificador controlado trifásico de meia-onda; 6. Retificador controlado trifásico de onda completa em ponte; 7. Retificador semi-controlado trifásico em ponte.
52
C
1.RETIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE MEIA-ONDA 1.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA
CIRCUITO
60 Hz
CARGA
Figura 3.1 – a) Circuito retificador controlado de meia onda. FORMAS DE ONDA
Figura 3.2 – a) Formas de onda para carga puramente resistiva b)Formas de onda para carga indutiva
53
C
1.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA Carga puramente resistiva
V DC
Vmáx (1 cos ) 2
Carga indutiva
V DC
Vmáx (cos cos ) , onde = + ’ e representa o ângulo 2
de corte do SCR, resultado do atraso da corrente na carga devido a ação da indutância na carga, como observado na figura 2.2b. 1.c) CIRCUITO COM DIODO DE CIRCULAÇÃO
Estrutura
60 Hz
CARGA
Figura 3.3 – Retificador monofásico de meia onda a SCR com diodo de circulação
Funcionamento
O circuito da figura 2.3 apresenta duas etapas de funcionamento distintas, conforme mostra as figuras 2.4 a e 2.4b. iL
L
iL
L
60 Hz
60 Hz
R
R (a)
(b)
Figura 3.4 – a) 1a etapa de funcionamento b) 2a etapa de funcionamento
54
C
FORMAS DE ONDA
(a) (b) Figura 3.5 – a) Formas de onda para um ângulo de disparo pequeno b)Formas de onda para um ângulo de disparo elevado
55
C
Observa-se na figura 2.5 que o valor de ’ = 0, ou seja, o valor médio da tensão na carga, torna-se independente da carga. Desta forma, para uma dada carga indutiva, o diodo de circulação provoca um aumento no valor médio da tensão na carga, em relação à estrutura sem este diodo.
2.RETIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA 2.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA
CIRCUITO
CARGA 60 Hz
Figura 3.6 – a) Circuito retificador controlado de onda completa.
FORMAS DE ONDA
Figura 3.7 – Formas de onda do circuito retificador controlado de onda completa. 56
C
2.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA Carga puramente resistiva
V DC
Vmáx
(1 cos )
Carga indutiva
V DC
Vmáx
(cos cos ) , onde = + ’ .
3.RETIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO DE ONDA COMPLETA EM PONTE 3.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA
CIRCUITO
CARGA 60 Hz
Figura 3.8 – Circuito retificador controlado de onda completa em ponte.
57
C
FORMAS DE ONDA
Figura 3.9 – Formas de onda do circuito retificador de onda completa em ponte.
58
C
3.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA Carga puramente resistiva
V DC
Vmáx
(1 cos )
Carga indutiva
V DC
Vmáx
(cos cos ) , onde = + ’ .
Observa-se do ponto de vista funcional que como é necessário os pulsos de disparo simultâneos dos SCR 3 e SCR 4 ou SCR 1 e SCR 2, é aconselhável que os pulsos aplicados a estes SCR´s provenham de um mesmo circuito, portanto é importante que tenham os transformadores de pulso com dois enrolamentos secundários. Este circuito apresenta vantagens sobre o circuito anterior devido ao melhor aproveitamento da tensão de saída do transformador, pois este aproveita todo o enrolamento secundário, já que o outro só aproveita a metade. Verifica-se também neste circuito que o comportamento da corrente de saída não é senoidal, isto ocorre devido ao processo de chaveamento do SCR´s, fazendo com que a mesma se torne contínua pulsante. Este fato evidencia um problema bastante discutido hoje na escala industrial, que é a “injeção de harmônicos” na rede.
4.RETIFICADOR SEMI-CONTROLADO MONOFÁSICO EM PONTE 4.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA
CIRCUITO
CARGA 60 Hz
Figura 3.10 – Circuito retificador semi - controlado em ponte.
59
C
Funcionamento
O circuito da figura 2.11 apresenta quatro etapas de funcionamento distintas, conforme mostra as figuras 3.11a, 3.11b,3.11c e 3.11d.
SCR2
SCR1
SCR2
SCR1
R
R 60 Hz
60 Hz D1
D2
D1
L b)
a)
SCR2
SCR1
SCR2
SCR1
L
D2
R
R 60 Hz
60 Hz D1 c)
D2
D1
L
L
D2
d)
Figura 3.11 – Etapas do funcionamento da ponte mista com carga R-L : a) 1a etapa - wt b) 2a etapa - wt + c) 3a etapa - + wt 2 d) 4a etapa - 0 wt
60
C
FORMAS DE ONDA
Figura 3.12 –Formas de onda do circuito retificador controlado de onda completa em ponte, sem diodo de retorno
61
C
4.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA
Carga puramente resistiva e carga indutiva
V DC
Vmáx
(1 cos )
O retificador semi-controlado, apresenta algumas vantagens e desvantagens com relação ao controlado. Entre as vantagens, é possível citar a economia de componentes diante da substituição de SCR´s por diodos semicondutores, e quanto as desvantagens é a não possibilidade deste conversor ser utilizado na operação como inversor . Uma outra desvantagem que ele apresenta, é uma maior distorção na corrente de saída devido aos trechos em que a mesma se anula, como pode ser verificado na figura 2.12. 4.c) CIRCUITO COM DIODO DE CIRCULAÇÃO
Estrutura
Figura 3.13 – Circuito retificador semi - controlado em ponte com diodo de circulação.
CARGA 60 Hz
Funcionamento O circuito da figura 2.14 apresenta a atuação do diodo de circulação no circuito em questão.
SCR1
SCR3 DR
60 Hz D4
CARGA
D2
Figura 3.14 – Circuito retificador semi - controlado em ponte com diodo de circulação.
62
C
O diodo D4 ao ser diretamente polarizado em wt = , o mesmo aplica uma tensão reversa em D2 que bloqueia . Dessa forma a corrente passa a circular por D4 e SCR1, mantendo a tensão na carga nula. Perceba que na verdade ocupamos um SCR acionado, atrasando seu estado de bloqueio. E o que este processo tem haver com o diodo de circulação, também chamado de “diodo de retorno” ? Ao inserirmos um diodo de retorno em paralelo com a carga, proporcionamos um caminho preferencial, chegando a conduzir antes do diodo D4, permitindo assim que o SCR1 reassumia sua condição de bloqueio antes do disparo de SCR3.
Formas de onda
Figura 3.15 –Formas de onda do circuito retificador controlado de onda completa em ponte, com diodo de retorno.
63
C
EXERCÍCIOS DE APRENDIZAGEM
RETIFICADORES CONTROLADOS MONOFÁSICOS 1)Explique a principal função de um conversor CA-CC(Retificador controlado) 2)Cite algumas aplicações dos conversores CA-CC 3)Explique a função do diodo de retorno no circuito abaixo
60 Hz
CARGA
4)Responda o que acontece com a tensão média sobre a carga quando o diodo de retorno é retirado do circuito do iten (3)
CARGA
60 Hz
60 Hz
CARGA
5)Responda em qual dos circuitos abaixo, obtém-se maior valor de tensão média na carga. 6)Cite uma vantagem do circuito retificador de onda completa sobre os demais anteriores. 7)Cite uma desvantagem e uma vantagem do circuito retificador semicontrolado em ponte sobre o circuito retificador controlado também em ponte
5.RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE MEIA-ONDA 5.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA CIRCUITO VA
SCR 1
VB
SCR 2
VC
SCR 3
I0
car ga
Figura 3.16 – Circuito retificador controlado trifásico de meia onda. 64
C
FORMAS DE ONDA
Figura 3.17 –Formas de onda do circuito retificador trifásico controlado de meia onda. 5.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA
V DC
Carga indutiva
3 3Vmáx cos 2
Neste caso, para dimensionarmos os dispositivos semicondutores utilizamos a relação que segue:
V DRMáx 3 2 vef
65
C
6. RETIFICADOR CONTROLADO TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA EM PONTE 6.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA
CIRCUITO VA
1
3
5
VB
car ga
VC 4
6
2
Figura 3.18 – Circuito retificador controlado trifásico de onda completa em ponte.
FORMAS DE ONDA
Figura 3.19 –Formas de onda do circuito retificador trifásico controlado de onda completa em ponte.
66
C
6.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA Carga indutiva
V DC
3Vmáx
cos
7. RETIFICADOR SEMI-CONTROLADO TRIFÁSICO EM PONTE 7.a) CIRCUITO e FORMAS DE ONDA
CIRCUITO VA
1
3
5
VB
car ga
VC 4
6
2
Figura 3.20 – Circuito retificador semi - controlado trifásico em ponte.
FORMAS DE ONDA
Figura 3.21 –Formas de onda do circuito retificador trifásico semi-controlado. 67
C
7.b) TENSÃO MÉDIA NA CARGA
V DC
Carga indutiva
3Vmáx (1 cos ) 2
Capítulo IV CIRCUITOS CONVERSORES CC-CC E COMUTAÇÃO CC 1. CIRCUITOS CONVERSORES Há diversas aplicações industriais que se utilizam de uma fonte de alimentação contínua para obter tensão CC variável, como por exemplo na aplicação de veículos de tração, acionados por motores CC. Para que estas aplicações sejam possíveis, é preciso utilizar conversores CC chamados de conversores Chopper. O circuito destes conversores é mostrado na figura abaixo.
CH
+
V
DR
car ga
Figura 4.1 – Circuito básico chopper. A idéia de funcionamento deste circuito está baseada na aplicação ou não de tensão à carga, segundo o fechamento e abertura, respectivamente da chave CH. Porém a continuidade de corrente através da carga é percebida através do diodo de retorno DR, quando a chave CH mantém-se aberta. Podemos assim resumir o comportamento da tensão na carga, através do gráfico mostrado na figura 4.2 V V0 tON
t tOF
Figura 4.2 – Forma de onda na carga 68
C
A partir então deste gráfico, definimos então o valor médio da tensão na carga, que é dado por:
V DC
V T ON V T ON f T
Através desta expressão, observamos que é possível variarmos o valor médio na carga( VDC ) de três maneiras diferentes: 1. Variando TON e mantendo o T constante, também chamado controle por largura de pulso ou MLP(Modulação por Largura de Pulso) 2. Mantendo TON ou TOF constante e variando T, ou seja, modulação em frequência. 3. Variando TON e T. 1. Modulação por Largura de Pulso(MLP) V0 V tON T
t
V0 V tON T
t
Figura 4.3 – Controle MLP Neste controle e a partir da expressão da tensão média( vdc ), observa-se que mantendo a frequência constante, basta aumentarmos ou diminuirmos a largura do pulso para que tenhamos um aumento ou diminuição no nível médio de tensão na carga.
69
C
2. Modulação em freqüência Nesta modulação, TON ou TOFF são mantidos constantes enquanto a frequência f é variável, como ilustra a figura 4.4 V0 V tOF
t
Figura 4.4 – Controle de modulação em frequência
T V0 V t
tOF T
Observa-se que o emprego desta modulação dificulta o projeto de filtros para aliviar possíveis interferências devidas ao chaveamento, devido a variação de frequência apresentada. 3. Variação de TON e T V0 V tON
t
T V0 V
tON T
t
Figura 4.5 – Controle com tOF fixo
70
C
Este tipo de controle evidencia a variação da frequência f, o que implica como no caso anterior, em dificuldade para projeto de filtros. A figura 4.5 ilustra este tipo de controle. Dentre estas técnicas, a técnica de modulação mais utilizada é a modulação por largura de pulso devido a mesma apresentar vantagens sobre os outros nas quais foram identificados problemas quanto a variação da frequência no que se diz respeito a dificuldades do projeto de filtros. Para o controle de tensão aplicada à carga, discutido anteriormente, o emprego de técnicas tradicionais como por exemplo, a inserção de uma resistência variável entre a fonte e a carga, como mostra o circuito da figura 3.6, era bastante utilizado, até que, com o advento dos semicondutores, este modo de controle vem sendo substituído por chaves estáticas ( SCR ) para o caso de correntes elevadas, transistores ( para o caso de correntes baixas ). RV
V
+
CARGA
Figura 4.6 – Obtenção da tensão CC desejada através da variação de uma resistência. O método tradicional ainda hoje utilizado e que implica na colocação de uma resistência em série com a carga, torna-se insuficiente devido ao excedente de potência ser dissipado na resistência sob forma de calor, o que acarreta em perdas de energia. Enquanto nos circuitos chopper dotados de chave estática, observa-se uma maior eficiência, pois quando a carga não consome energia(chave aberta) o circuito não está consumindo também. A figura 4.6 ilustra um circuito chopper com um SCR como chave.
V
+
DR
carga
Figura 4.6 – Obtenção da tensão CC desejada através da variação de uma resistência.
71
C
2.CIRCUITOS DE COMUTAÇÃO PARA SCR Quando se utiliza um SCR como chave em um circuito chopper é importante lembrarmos que em tensão contínua, o SCR ao ser disparado é mantido conduzindo, ou seja, o mesmo não bloqueia, já que a corrente não se anula. E agora, caro leitor? Como desenvolvermos o controle deste circuito através desta chave estática? Pois é, caro leitor, este tipo de circuito não apenas necessita de um circuito de disparo pra o SCR, mas também um circuito que proporcione o seu bloqueio. Este circuito então é chamado de circuito de comutação. O processo de comutação se baseia em fazer com que a corrente de manutenção em um SCR, torne-se menor que o mínimo solicitada pelo mesmo, bloqueando-o Os métodos utilizados na comutação de um SCR são divididos em duas categorias: 1.Comutação Natural; 2.Comutação Forçada. O processo de comutação natural é aquele que ocorre quando a alimentação da fonte é CA, onde a corrente do tiristor passa naturalmente por zero e uma tensão reversa aparece sobre o mesmo. O processo de comutação forçada é um processo artificial que tende a fazer com que a corrente direta do tiristor seja forçada através de um circuito dedicado, chamado circuito de comutação. CIRCUITOS DE COMUTAÇÃO 1. CIRCUITO DE COMUTAÇÃO FORÇADA POR CAPACITÂNCIA EM PARALELO. A figura 4.7 mostra o circuito de comutação deste tipo. 1.1– Circuito +V
R1
RL C1
SCRp
SCRa
Figura 4.7 – Circuito de comutação forçada 72
C
1.2– Princípio de funcionamento A figura 4.8 mostra a sequência de estados de funcionamento deste circuito. +V
R1
RL
+V
+V
C1
SCRp
R1
RL
-
C1
SCRa
I
C1
+ SCRp
SCRp
R1
RL
SCRa
II
-
SCRa
III
Figura 4.8 – Sequência de funcionamento do processo de comutação forçada: Estágios I,II e III
Observa-se que no estágio II, o SCR( SCR principal ) é disparado, carregando o capacitor C1 através do SCR P e de R 1. No estágio III, revela-se então o corte do SCR P, disparando o SCR auxiliar( RCS A ), colocando-se então o capacitor C1 em paralelo com o SCR P, polarizando-o reversamente, Levando então o componente ao corte. Quando o SCR P é novamente disparado, retorna-se ao estágio II e o ciclo se repete. A desvantagem deste circuito está no consumo de potência perdido no resistor R 1, enquanto o SCR principal( SCR P ). 2. CIRCUITO DE COMUTAÇÃO FORÇADA POR RESSONÃNCIA AUXILIAR (REDE LC ) +V
2.1 – Circuito RL C1 L1
SCRp
SCRa
D1
73
C
2.2 – Princípio de funcionamento +V
+V
+V
RL RL
RL
C1
C1
+ -
C1
L1
L1
SCRp
SCRa
-I-
D1
SCRp
SCRa
- II -
D1
L1
SCRp
SCRa
D1
- III -
3.31 – Sequência de funcionamento do processo de comutação forçada: Estágios I,II e III Inicialmente, tem-se no estágio II o disparo do SCR A, e o capacitor C1 é carregado através de RL e SCR A, levando o SCR A naturalmente ao bloqueio, devido a sua polarização reversa. Em seguida o SCR P é disparado e o capacitor C1 fica praticamente em paralelo com L1 e D1. Enquanto o SCR P conduz, o capacitor C1 lança sua energia sobre o indutor L1, e quando o mesmo é energizado lança sua energia de volta ao capacitor, só que nesta condição a polaridade da tensão no capacitor torna-se oposta ao apresentada no estágio II, tem-se então o estágio III. No estágio III ocorre o bloqueio então do SCR P, pois o mesmo é polarizado reversamente quando o SCR A é disparado, fecha-se então o ciclo. Observa-se também neste estado que o capacitor, polarizado de forma como está, não troca energia com o indutor L 1, pois o diodo D1 é polarizado inversamente, impedindo tal feito, e assim uma oscilação permanente entre o capacitor e o indutor. Observa-se neste circuito que não haverá dissipação de potência, como no circuito anterior, pois basta que seja disparado o SCR A para que o capacitor C1 fique em paralelo com o SCR P, levando-o ao corte.
Capítulo V CONVERSÃO DE FREQUÊNCIA Neste capítulo será discutido o princípio de funcionamento de circuitos inversores bem como citado algumas de suas aplicações. Também será abordado o funcionamento de circuitos cicloconversores, bem como aplicações envolvendo o mesmo.
74
C
1.INVERSORES
S1
S3 RL S4
S2
V-
Figura 5.1 – Circuito inversor monofásico Os circuitos inversores fazem a conversão CC-CA, e são os grandes responsáveis pela automação industrial, no que se diz respeito ao controle de velocidade das máquinas de corrente alternada, promovendo a possibilidade de variação de frequência e amplitude da corrente produzida. Devido ao motivo de sua frequente utilização para variação de frequência, também são denominadas de conversores estáticos de frequência, utilizados normalmente no estágio intermediário CA/CC. Dentre as aplicações deste circuito podemos citar as seguintes: a) Controle de velocidade de motores de indução; b) Transmissão de energia por CC; c) Sistema de alimentação de emergência; d) Tração elétrica.
1.1– PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Utilizaremos uma ponte inversora monofásica para que o leitor possa entender melhor a idéia de funcionamento de um circuito inversor, e mais tarde, a mesma será aplicada aos circuitos inversores trifásicos. Considere o inversor monofásico, como mostra a figura 4.1alimentando uma carga RL. V
V S1
S3
S1
RL
-I-
RL
S4
S2
V
S3
S4
S2
- II -
V
Figura 5.2 – Circuito inversor com corrente invertida na carga: Estágios I e II 75
C
O seu funcionamento se resume nos estágios I e II, como mostra a figura 4.2 Observando a figura 5.2, é fácil verificarmos que é possível alterarmos a polaridade nos terminais da carga através do acionamento conveniente de chaves(S1, S2,S3 e S4), dessa forma, o inversor alimentado através de um barramento CC, cuja tensão seja V, obtém-se uma saída como mostra a figura 5.3
SCR1
V
+
SCR3
RL SCR2
SCR4
Figura 5.3 – Forma de onda na saída do inversor Verifica-se que a tensão contínua no barramento CC é transformada em uma tensão alternada, cuja frequência é determinada pela frequência de chaveamento das chaves e a amplitude da tensão na carga depende de tensão aplicada a entrada do inversor. Com o advento dos semicondutores, na verdade estas chaves são substituídas por chaves estáticas(SCR e transistores) por exemplo, com obtenção dos mesmos resultados. Substituímos então as chaves mecânicas por SCR´s. é preciso que sejam levados em conta o circuito de disparo e o circuito de corte destes dispositivos(circuitos de comutação), a fim de que possamos sincronizar os disparos para obtermos os resultados desejados. O circuito inversor monofásico com SCR´s é mostrado na figura 5.4 VRL V
t -V T Figura 5.4 – Inversor com ponte de SCR´s
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C
Para que este circuito funcione perfeitamente, é necessário um circuito de disparo para acionar os SCR´s 1 e 4 e também um circuito de corte para realizar o desligamento destes SCR´s quando for feito o disparo dos SDCR´s 2 e 3, pois caso os SCR´s de um mesmo braço conduzirem, haverá um curto-circuito na fonte. Os circuitos com transistores comuns apresentam uma vantagem sobre os SCR´s em relação à sua facilidade de corte, pois ao se retirar o sinal aplicado à base, o mesmo deixa de conduzir. Hoje são utilizados os transistores bipolares de gatilho isolado( IGBT´s ) por apresentarem características que se adaptam ao uso de frequências elevadas, assim como correntes elevadas, solicitadas nos inversores de potência.
1.2 - INVERSORES TRIFÁSICOS A figura 5.5 mostra a configuração do circuito inversor trifásico. Figura 5.5– Inversor trifásico com ponte de SCR´s Os dispositivos são numerados e disparados em uma ordem tal que passam a produzir tensões numa sequência de fases positiva, VAB, V BC e VCA. Para o caso de uma carga ligada em triângulo, são estas as tensões de interesse. A figura 5.6 mostra o esquema de ligação da carga e a figura 5.7 as formas de onda assim nela aplicada.
+
+
SCR1
SCR3 D1
SCR4
D4
D3
SCR6
D6
SCR5
SCR2
D5
D2
77
C
Figura 5.6– Conexão em triângulo
Figura 5.7– Formas de onda da saída do inversor trifásico em ponte. Ligando-se uma carga em estrela, já contamos com as tensões fase-neutro como as de menor interesse. A figura 5.8 mostra o esquema desta ligação assim como o circuito equivalente após o disparo de uma das combinações das chaves e o respectivo comportamento das tensões fase-neutro.
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C
Figura 5.8– Conexão em estrela
Figura 5.9 - circuitos equivalentes
Figura 5.10– Formas de onda das tensões de fase na saída do inversor trifásico
(a)
(b)
Figura 5.11– (a)Formas de onda de tensão de fase na saída do inversor trifásico (b)Forma de onda da corrente de fase na saída do inversor trifásico 79
C
Entendido então o comportamento do inversor trifásico na alimentação de cargas resistivas, a questão é, e no caso do inversor estar alimentando uma carga indutiva? Se a carga fosse indutiva, caro leitor, é sabido que haverá um atraso da corrente em cada ramo do inversor, logo teríamos um comportamento mostrado na figura 5.11. SCR1
SCR2
60 Hz RL
SCR3
SCR4
Observe que a corrente aplicada em uma das fases da carga, mostrada na figura 5.11b é “quase” senoidal, pois apresenta distorção devido ao chaveamento.
2. CICLOCONVERSORES Cicloconversor é um circuito capaz de converter um sinal CA de frequência fixa em outro CA cuja frequência é variável. Um circuito típico de um cicloconversor é mostrado na figura 5.12 Observa-se que este circuito é formado por uma associação de dois grupos retificadores monofásicos de onda completa com derivação central. Os tiristores 1 e 2 formam o primeiro grupo, chamado de grupo positivo do cicloconversor, e os tiristores 3 e 4 formam o segundo grupo, chamado de grupo negativo do cicloconversor. SCR1
Figura 5.12 – Cicloconversor monofásico SCR2
60 Hz RL SCR3
SCR4
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C
2.1 -PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Dado o sinal de saída do transformador VE, os tiristores 1 e 2 são disparados durante um número inteiro de semiperíodo da tensão de alimentação V E e em seguida, faz-se o mesmo com os tiristores 3 e 4, repetindo o ciclo. A figura 4.13 mostra o comportamento da forma da tensão na carga.
Figura 5.13 – Sinal de saída de um cicloconversor com metade da freqüência do sinal de entrada
Observe que o resultado deste controle de disparos é a aplicação de dois semiciclos positivos e dois semiciclos negativos a carga, aumenta o período do sinal de tensão em duas vezes, o que implica em reduzir a frequência pela metade.
f S
f E 2
A partir desta idéia de controle dos SCR´s, é possível reduzirmos a 1/3 e até mais, a frequência da tensão VE. Basta dispararmos os SCR´s 1 e 2 em números de ciclos positivos e 3 e 4 em números de ciclos negativos iguais a fração em que se deseje dividir a frequência. A figura 5.14 mostra o sinal de tensão VE reduzido a 1/3 e ou 1/5 de sua frequência, segundo o disparo sincronizado dos SCR´s.
Figura 5.14 – Sinal de saída de um cicloconversor com 1/3 e 1/5 da frequência do sinal de entrada Verifica-se então que através deste processo é possível convertermos um sinal CA de frequência fixa em um sinal CA de frequência variável. Este processo realizado da forma como mostrado nas figuras 5.13 e 5.14, onde os SCR´s são disparados em = 0º, provocam um conteúdo harmônico elevado e indesejável na tensão de saída. E assim para que seja evitado harmônicos de baixa ordem com amplitude elevada, disparam-se os SCR´s com 0º e preferencialmente variável. Esta variação do ângulo é melhor aplicada tomando como referência o valor de amplitude do sinal AC, ou seja, quanto maior a amplitude, menor o ângulo , e quanto menor a amplitude, maior o ângulo , como mostra a figura 5.15
81
C
Figura 5.15 – Forma de onda na saída de um cicloconversor com variável Os cicloconversores trifásicos são bastantes utilizados no controle de velocidade de motores de alta potência e baixa velocidade. A figura 5.16 mostra a configuração de um circuito cicloconversor assim como a conversão de uma forma de onda da tensão de saída para uma de frequência 3(três) vezes menor que a frequência de alimentação. SCR1
A B
SCR2
SCR3
C
SCR4
CARGA
SCR5
SCR6
Figura 5.16 – Circuito cicloconversor trifásico
Figura 5.17 – Forma de onda de tensão na saída de um cicloconversor trifásico
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3 – O INVERSOR DE FREQÜÊNCIA ( “TÓPICOS GERAIS”) 3.1 – O INVERSOR POR DENTRO
Interface Serial 0 – 10 Vcc Analógico I/O Digital
RS 485
A D
DIN
REDE
C
I H M
~-
P U
-
~
M
3.2 – MANDAMENTOS DA INSTALAÇÃO DO INVERSOR •Cuidado! Não inverter a saída trifásica com a entrada de rede trifásica
•Conecte o aterramento tanto ao inversor como ao motor •O valor do aterramento nunca deve ser maior que 5 Ohms •Deve-se evitar ao máximo misturar (em um mesmo eletroduto ou canaleta) cabos de potência com cabos de comando e sempre que possível usar cabos de comando blindado.
3.3 – DIMENSIONAMENTO DE UM INVERSOR ? COMO POSSO SABER: QUAL É O MODELO, TIPO, E POTÊNCIA DO MEU INVERSOR PARA A MINHA APLICAÇÃO? -POTÊNCIA DO INVERSOR EXEMPLO: REDE ELÉTRICA = 380VCA MOTOR = 1HP APLICAÇÃO = EXAUSTOR INDUSTRIAL
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CÁLCULOS: Temos que o motor possui 1HP = 746W Cos = 0,80(Fator de potência do inversor) (CI = Corrente do Inversor) amperes Logo o inversor deverá Ter : -Tensão de entrada : 380Vca -Corrente Nominal: 2,5A -TIPO DO INVERSOR Escalar, pois trata-se de um exaustor. Obs: - Seria Vetorial em duas ocasiões: Extrema precisão de rotação, torque elevado para rotação baixa ou zero(Guindastes, pontes rolantes, elevadores, etc...) - TÉCNICAS DE CONTROLE •Aplicações típicas do inversor com controle vetorial Torque elevado com baixa rotação ou rotação zero Controle preciso de velocidade Torque regulável, como tração elétrica
•Aplicações típicas do inversor com controle escalar Partidas suaves Operação acima da velocidade nominal do motor Operações com constantes reversões
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