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Tecnologia em Automação Industrial
ELETRÔNICA IIAula 21
Tiristores
Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
https://[email protected]
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Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
.. Solenóides
.. motores
Circuitos Elétricos e Eletrônicos
Elementos ativos:
. Válvulas
. Semicondutores.. Diodos.. Transistores.. Tiristores
Elétrica. Transformadores. Motores. Geração/Transmissão/Distribuição. Instalações Residenciais/Prediais/Industriais. Filtros Passivos
Eletrônica Analógica:. Retificadores/ Ceifadores/ Grampeadores/ Multiplicadores de tensão
. Fontes de alimentação(reguladores de tensão)
. Amplificadores
. Filtros Ativos
. Geradores de sinais: Osciladores/ Multivibradores
. Circuitos de Instrumentação
. Circuitos integrados
Elementos Passivos:
. Resistores
. Capacitores
. Indutores Eletrônica Digital:. Portas digitais. Circuitos combinacionais.. Codificadores e decodificadores.. Multiplexador e demultiplexador.. Somador e subtrator
. Circuitos sequenciais.. Flip-flop RS, JK, D e T
. Registradores
. Contadores síncronos e assíncronos
. Memórias
. Conversores A/D e D/A
Eletrônica de Potência:. Classes de amplificadores: A, B, AB, C,etc. Reguladores.. Regulador CA ou controlador CA (CA p/CA).. Regulador CC: chopper ou recortador (CC p/CC)
. Conversores de potência.. Retificadores de potência (CA p/ CC).. Inversores de potência (CC p/ CA).. Inversores de frequência.. Conversores de fator de potência: compensador
. Acionamento de máquinas elétricas
.. Trimpots
.. Potenciômetros
.. Trimmer
.. variáveis
Circuitos Integrados:. Amp-op
. Portas lógicas. etc
.. BJT
.. JFET
.. MOSFET
.. IGBT
.. UJT
.. de junção
.. Zener
.. Schottky
.. Emissor de luz
.. Fotodiodos
.. SCR
.. Diac/Triac
.. GTO
.. SCS
APLICAÇÕES:TEORIAS:. Leis básicas.. Lei de Ohm.. Lei das tensões de Kirchhoff.. Lei das correntes de Kirchhoff
. Métodos de análise.. Análise nodal.. Análise de malhas.. Correntes fictícias de Maxwell
. Teoremas de rede.. Circuitos lineares.. Princípio da Superposição.. Teoremas de Thévenin.. Teoremas de Norton.. Transferência máxima de potência
. Bipolos, quadripolos, geradores, receptores
. Resposta em frequência
. Transformada de Laplace
. Análise de Fourier
. Processamento de sinais (analógico e digitais)
. Automação e ControleProf. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
. Circuitos em regime permanente CC
. Circuitos em regime permanente CA.. Excitação senoidal, fasores
.. Circuitos de 1ª e 2ª ordem.. Circuitos RL, RC, RLC.. Filtros passivos
. Circuitos monofásicos e polifásicos.. fator de potência.. Ligações estrela e triângulo
. Análise em regime transitório.. Resposta ao degrau e ao impulso
. Análise em regime permanente.. Valor médio e eficaz.. Energia, potência
. Magnetismo e eletromagnetismo.. Transformadores
Fontes de alimentação:. Corrente contínua/alternada. dependente/independente
Transmissão de dados:. Sistemas analógicos. Sistemas digitais
Elétrica
Eletrônica Digital
Eletrônica Analógica
Eletrônica de Potência
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DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES
• Diodos: • 2 camadas PN
• chaveamento
• Junção PN, zener, Schottky, diodo túnel, emissor de luz, fotodiodo, varicap
• Transistores: • 3 camadas PNP ou NPN
• Amplificação e chaveamento de potência
• BJT, FET, MOSFET, IGBT, UJT
• Tiristores: • 4 camadas PNPN
• Chaveamento de potência
• SCR, GTO, triac, diac, SCS, MCTMOS
• Vantagem: converter e controlar grandes quantidades de potências em sistemas AC ou DC, utilizando apenas uma pequena potência para o controle.
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• A transferência de potência elétrica de uma fonte para uma carga pode ser
controlada pela variação da tensão de alimentação (transformador variável)
ou pela inserção de um regulador (chave).
• Eletrônica de Potência trata da aplicação da eletrônica dos semicondutores
(dispositivos de estado sólido) para o controle e conversão da energia
elétrica em níveis altos de potência aplicados à indústria.
http://slideplayer.com.br/slide/10522652/
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Potência: cuida de equipamentos de potência rotativos e estáticos para a geração, transmissão e distribuição de energia elétrica
• Eletrônica: trata dos dispositivos e circuitos de estado sólido para o processamento de sinais que permitam alcançar os objetivos de controle desejados.
• Controle: trata das características dinâmicas e de regime permanente dos sistemas de malha fechada.
http://slideplayer.com.br/slide/10522652/
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Objetivos Principais:• Controle e conversão de energia com alta eficiência e qualidade.
• Postulado básico: • o dispositivo básico na construção dos circuitos conversores de potência (conversores
estáticos) deve ser um elemento que se comporte como uma chave interruptora.
• Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves têm a vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da eficiência e da utilização para o controle automático da potência.
• Parâmetros controlados: tensão, corrente e frequência
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Aplicações:• Transmissão de energia a grandes distâncias em DC.
• Acionamentos elétricos
• Tração elétrica
• Controle de iluminação
• Fontes ininterruptas de energia
• Fontes chaveadas
• Robótica
• Automação predial e industrial
• Controle de temperatura
• Utilidades domésticas
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DISPOSITIVOS DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
• Regulador: permite o controle intermediário de CA ou CC• Regulador CA ou controlador CA: converte CA para CA sem alteração da frequência
• Regulador CC (Chopper ou recortador): converte CC para CC
• Retificador: converte potência CA para CC
• Inversor: converte potência CC para CA
• Conversor: termo geral• Conversor CA/CC e CC/CA: conversor que pode operar tanto como retificador como
inversor.
• Conversor de frequência: conversor em que a frequência de saída é geralmente diferente da frequência CA de entrada
• Conversor de fator de potência (compensador estático): conversor utilizado para controlar o fator de potência de um sistema CA.
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CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA
• Chave eletrônica: Dispositivo elétrico de controle de fluxo de potência.
• Chave ideal: • não há perda de potência.
• Queda de tensão nula, quando fechada (V=0, P=V.I=0)
• Corrente nula, quando aberta (I=0, P=V.I=0)
• Abre e fecha instantaneamente (Δt=0)
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CHAVES ELETRÔNICAS/SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA
• Principais chaves semicondutoras:• Diodo
• BJT• MOSFET• IGBT
• SCR• TRIAC• GTO
• Principais elementos de disparo:• UJT
• DIAC
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TRANSISTORES DE POTÊNCIA
• Apresentam características de chaveamento controlada.
• Transistores utilizados como elementos de chaveamento, operam na região de saturação, apresentando uma baixa queda de tensão de condução (VCE=0)
• A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior do que a dos tiristores, sendo largamente utilizados em conversores CC/CC e CC/CA, apresentando internamente, um diodo conectado em paralelo (manter um caminho para a corrente).
• As especificações de tensão e corrente ainda são menores que a dos tiristores, sendo então aplicados em baixa e média potência.
• O chaveamento de um transistor é mais simples que o chaveamento de um tiristor por comutação forçada.
• Os transistores de potência podem ser divididos em:• BJT (Transistores de junção bipolar)• MOSFET (Metal-oxide-semicondutor-field-effect-transistor• SIT (static induction transistor)• IGBT (insulated-gate-bipolar-transistor)
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IGBT
• Transistor Bipolar de Porta Isolada
• (Insulated Gate Bipolar Transistor
• Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs
• Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento.
• Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs
• Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim
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UJT• Transistor de Unijunção (Unijunction Transistors) ou transistor
de dupla base
• Dispositivo semicondutor com três terminais (base 1, base 2, emissor) e uma junção
• Construído a partir de uma barra de material N na qual existe uma ilha de material P.
• Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs
• Uma das principais aplicações do UJT é como oscilador de relaxação operando na região de resistência negativa.• Os osciladores de relaxamento são usados para gerar os pulsos de
acionamento para dispositivos maiores (gerar o disparo) como SCRse TRIACs.
• Após ter disparado, o UJT só volta a cortar novamente quando a tensão de emissor não for mais suficiente para manter a polarização direta da junção (Tensão de vale).
• O UJT mais usado comercialmente é o 2N2646
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OSCILADOR DE RELAXAÇÃO COM UJT• O UJT tem dois parâmetros importantes:
• Tensão de disparo (VP) • Valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminhão entre o emissor e a base 1 • início do disparo do UJT
• Tensão de Vale (VV)• Valor de tensão que, após a entrada em condução bloqueia o caminho• Fim do disparo do UJT.
• Considerar inicialmente o capacitor descarregado. Ao ligar a fonte VBB ao circuito, o capacitor começa a carregar exponencialmente.
• Enquanto o valor da tensão do capacitor não alcançar o valor do parâmetro VP, o UJT estará bloqueado, isto é, passará uma pequena corrente pelo caminho entre os terminais de base. Esta corrente produz uma pequena queda de tensão no resistor RB1.
• No momento que a tensão do capacitor atinge o parâmetro VP, o UJT começará a conduzir através do caminho emissor e base1.
• Neste instante inicial de condução, a resistência interna deste caminho é baixíssima, proporcionando a elevação da corrente e, ao mesmo tempo, a descarga do capacitor. É o que chamamos de resistência negativa.
• Este surto de corrente inicial é transitório, pois a resistência do caminho E=B1 torna-se gradativamente maior até o ponto em que a tensão do capacitor cai até o parâmetro VV. Deste modo, o UJT sai de condução proporcionando uma nova recarga do capacitor.
Fonte: Apostila de eletrônica de potência, Jefferson Pereira da Silva, IFRN
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TIRISTORES
• O nome tiristor se aplica a qualquer chave de estado sólido construída a partir de quatro camadas alternadas PNPN, podendo ter dois, três ou quatro terminais e conduzir em uma ou duas direções.
• São chaves eletrônicas utilizadas em alguns circuitos nos quais se necessita controlar o estado ligado.
• São capazes de conduzir correntes de valores elevados e de bloquear valores altos de tensão para aplicações com valores altos de potência, mas as frequências de chaveamento não podem ser tão altas.
• estado sólido: não possuem elementos mecânicos ou qualquer tipo de peça móvel.
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DIODO SHOCKLEY• Ou diodo de quatro camadas unilateral
• Dispositivo que origina toda a família de tiristores.
• Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução.
• Com polarização reversa se comporta como um diodo comum, com altíssima resistência.
• Com polarização direta, o diodo apresenta alta resistência enquanto a tensão for menor do que a tensão de breakover (VBO)
• Quando a tensão no dispositivo atingir esse valor, o dispositivo conduz bruscamente (disparo).
• Após disparar, a tensão cai para aproximadamente 1V e voltando a cortar quando a tensão (corrente) de anodo cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção, VH(IH).
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SCR• Retificador Controlado de Silício (Silicon Controlled
Rectifier)
• É basicamente o diodo de quatro camadas com o terceiro terminal de controle (porta) para injeção de corrente e controlar o disparo.
• Para o SCR começar a conduzir é preciso que se aplique uma corrente no gatilho, quando a tensão anodo-catodo for positiva. • pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto
espaço de tempo.• Só pode disparar com o anodo positivo em relação ao catodo e
com o gate positivo em relação ao catodo.
• Uma vez estabelecida a condução, o sinal no gatilho não é mais necessário para manter a corrente no anodo.
• O SCR continuará a conduzir enquanto a corrente no anodo permanecer positiva e acima de um valor mínimo (nível de manutenção, IH).
• Três regiões de operação: bloqueio reverso, bloqueio direto e condução após disparo.
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DIODO SCR
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SCR
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GTO
• Tiristor de desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor)
• entra em condução com uma corrente no gatilho de curta duração se a tensão do anodo-catodo for positiva.
• Diferente do SCR, o GTO pode ser desligado com uma corrente negativa no gatilho
• Adequado para aplicações em que ambos os controles de ligamento e de desligamento de uma chave são necessários.
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DIAC• Diodo de quatro camadas bilateral (diode for Alternating Current).
• É um gatilho (chave) bidirecional, disparado por tensão.• Normalmente a tensão de disparo ocorre entre 20 e 40V.
• É um diodo que conduz corrente apenas após a tensão de disparo ser atingida
• Dispositivo de quatro camadas que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar o valor de breakover (VBO), voltando a cortar quando a tensão (corrente) cair abaixo do valor de tensão (corrente) de manutenção (VH (IH)).
• O componente não tem polaridade
• Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão
• Aplicação: Útil para aplicações AC, proteção de circuitos e disparo de TRIACs.
• O DIAC é feito para operar basicamente em conjunto com o TRIAC.
• Diac comerciais: BR100, DB2
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TRIAC• Usado quando é necessário controlar a potência em um circuito AC, com
corrente nos dois sentidos.
• Equivalente a dois SCRs em antiparalelo, ou um DIAC com o terceiro terminal de controle, o gate.• Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser regulada seja
maior do que os valores nominais dos dispositivos.
• É usado basicamente como chave de estado sólido em CA, substituindo em alguns casos e com vantagens as chaves mecânicas (relés, contactores etc).• Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz ou 50Hz.
• Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo• Tem quatro possibilidades de ser disparado.
• Máxima tensão que pode ser aplicada no dispositivo com a porta aberta (IG=0) sem que haja condução.
• Mais econômico e fácil de controlar.
• Limitações: baixa velocidade, que restringe a frequência operacional.
• Triac comercial: TIC226
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TRIAC
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Controle de disparo com UJT
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Controle de disparo com DIAC• A rede R1, R2 e C1 defasa a tensão sobre C1.
• O capacitor se carrega até atingir a tensão de disparo do DIAC.
• O DIAC entra em condução e cria um caminho de baixa impedância para o capacitor descarregar-se sobre o gatilho do TRIAC.
• A corrente de descarga do capacitor é suficiente elevada para conseguir disparar TRIACs de baixa potência, mesmo com valores relativamente baixos de capacitância.
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COMPONENTES SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA• Limites de operação de
componentes semicondutores de potência
• Distribuição dos componentes semicondutores, indicando limites aproximados para valores de tensão de bloqueio, corrente de condução e frequência de comutação.
•
• (2004)
Fonte: apostila Eletrônica de Potência, J.A. Pomilio
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Visão geral: Dispositivos Semicondutores (diodos)
Diodo de junção PN
Diodo Zener
Diodo Schottky
• Trabalha com baixas tensões e em alta frequência• Pode desligar muito mais rapidamente do que o de junção PN• Frequências de chaveamento muito maiores• Emprego:
• retificadores em aplicações de baixa tensão, em que a eficiência de conversão é o ponto importante
• Fontes de alimentação chaveadas que operam em frequências iguais ou maiores do que 20 Hz.
Diodo túnelou diodo Esaki
Extremamente rápido, opera na casa dos GHz
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Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores)
BJTTransistor Bipolar de
Junção(Bipolar Junction
Transistor)
• Controlado por corrente• Velocidade de chaveamento mais lenta que o MOSFET• Em aplicações de alta tensão, um BJT é preferível, mesmo que
às custas de perdas de desempenho em alta frequência
JFET
• Controlado por tensão
MOSFETTransistor de Efeito de
Campo Metal-Óxido-Semicondutor(Metal-Oxide-
Semiconductor Field Effect Transistor)
• Controlado por tensão• Transistor de chaveamento rápido• Preferíveis em aplicações com altas frequências• Alta impedância de entrada• Apropriado para baixas potências (até alguns quilowatts)
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Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (transistores)
IGBTTransistor Bipolar de Porta
Isolada(Insulated Gate Bipolar
Transistor
• Semicondutor de potência que alia as características de chaveamento dos BJTs e as características de alta impedância dos MOSFETs
• Alta eficiência (Baixa queda de tensão no estado ligado ) e rápido chaveamento.
• Velocidade de chaveamento entre as do BJTs e os MOSFETs• Capacidade de bloqueio para tensões inversas é muito ruim
UJTTransistor de Unijunção
(Unijunction Transistors)
• Usado para gerar pulsos de acionamento para dispositivos maiores, como retificadores controlados de silício e triacs
• Dispositivo ideal para utilização em osciladores de relaxamento, usados para disparo de um SCR
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Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores)
SCRRetificador Controlado
de Silício(Silicon Controlled
Rectifier)
• Para passar o tiristor ao estado ligado é preciso que a porta receba um pulso positivo de pequena amplitude apenas por um curto espaço de tempo
• Permanece no estado ligado enquanto a corrente ficar acima de um certo valor
• Chaveamento
GTOTiristor de
desligamento de porta (Gate Turnoff Thyristor)
• Passa para o estado ligado com um sinal positivo na porta• Passa para o estado desligado com uma corrente de porta
negativa• Qualidades melhoradas de chaveamento.• Tempo de desligamento muito menor que o SCR• Valores nominais de tensão e corrente menores que o SCR• Queda de tensão mais alta no estado ligado• Uso: acionamento de motores, fontes de alimentação de
funcionamento contínuo, choppers e inversores.
DIACChave semicondutora
de três camadas e dois terminais
• A única maneira de o dispositivo passar para o estado ligado é excedendo a tensão de disparo
• Pode ser chaveado de desligado para ligado para qualquer das polaridades de tensão
• Útil para aplicações AC
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Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
Triac
• Capaz de conduzir corrente em ambas as direções direta e inversa, e pode ser controlado por um sinal na porta, positivo ou negativo
• Mais econômico e fácil de controlar• Dois SCRs podem ser usados em vez de um triac caso a potência a ser
regulada seja maior do que os valores nominais dos dispositivos• Limitações: baixa velocidade, que restringe a freq. operacional• Usados apenas para regular tensões AC de 60Hz
SCSChave controladora de
Silício
• Pode passar para o estado ligado com aplicação de pulso positivo na porta do cátodo ou com um pulso negativo na porta do ânodo.
• Se estiver ligado, passará para desligado com um pulso positivo na porta do ânodo ou um pulso negativo na porta do cátodo
MCTTiristor Controlado
MOS(MOS Controlled
Thyristor)
• MOS+SCR• Queda de tensão baixa no estado ligado e baixo tempo de
desligamento• Exige corrente de porta menor para o desligamento do que o
GTO• Desvantagem: baixa capacidade de bloqueio de tensão inversa
Diodo Shocley
Visão geral: Dispositivos Semicondutores (tiristores)