Apostila de Eletrônica de Potência

1 Campus Natal Zona Norte . Prof. Jefferson Pereira da Silva Apostila de Eletr nica de Pot ncia INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA O CI NCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE Apostila DE ELETR NICA DE POT NCIA 1 ndice 1. Eletr nica de pot ncia .. 2 Defini o .. 2 Chaves semicondutoras de pot ncia .. 2 Tipos de circuitos de eletr nica de pot ncia .. 2 Aplica es da eletr nica de pot ncia .. 2 2. Dispositivos de pot ncia: caracter sticas e funcionamento .. 3 Diodos de pot ncia .. 3 Transistor bipolar de jun o (TJB) .. 5 Transistor de efeito de campo metal- xido-semicondutor (MOSFET) .. 6 Transistor bipolar de porta isolada (IGBT) .. 7 Retificador controlado de sil cio (SCR) .. 8 TRIAC .. 13 3. Dispositivos e circuitos de disparo.

2 15 DIAC .. 15 Transistor de unijun o (UJT) .. 15 Oscilador de relaxa o com UJT .. 16 CIs para disparo .. 18 4. Dispositivos de prote o e circuitos .. 19 Varistores .. 19 Fus veis .. 20 Transformadores de pulso .. 21 Acopladores pticos .. 23 5. Conversores AC/DC (retificadores) .. 24 Retificadores monof sicos n o controlados .. 24 Retificadores monof sicos controlados .. 25 6. Conversores DC/DC (choppers) .. 28 Choppers step-down (buck) .. 29 Choppers step-up (boost) .. 30 Choppers buck-boost .. 32 7. Conversores DC/AC (inversores) .. 34 Funcionamento de inversores monof sicos .. 36 8. Chaves est ticas .. 37 Defini o e aplica es .. 37 Compara o com rel s eletromec nicos .. 38 Rel de estado s lido (SSR) .. 39 9. Bibliografia .. 41 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA O CI NCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE Apostila DE ELETR NICA DE POT NCIA 2 1.

3 Eletr nica de Pot ncia Defini o A eletr nica de pot ncia trata das aplica es de dispositivos semicondutores de pot ncia, como tiristores e transistores, na convers o e no controle de energia el trica em n veis altos de pot ncia aplicados ind stria. Essa convers o normalmente de AC para DC ou vice-versa, enquanto os par metros controlados s o tens o, corrente e frequ ncia. Portanto, a eletr nica de pot ncia pode ser considerada uma tecnologia interdisciplinar que envolve tr s campos b sicos: a pot ncia, a eletr nica e o controle. Chaves semicondutoras de pot ncia As chaves semicondutoras de pot ncia s o os elementos mais importantes em circuitos de eletr nica de pot ncia. Os principais tipos de dispositivos semicondutores usados como chaves em circuitos de eletr nica de pot ncia s o: Diodos; Transistores bipolares de jun o (BJTs); Transistores de efeito de campo metal- xido-semicondutor (MOSFETs); Transistores bipolares de porta isolada (IGBTs); Retificadores controlados de sil cio (SCRs); Triacs; Tipos de circuitos de eletr nica de pot ncia Os circuitos de eletr nica de pot ncia (ou conversores, como s o usualmente chamados) podem ser divididos nas seguintes categorias: 1.

4 Retificadores n o controlados (AC para DC) converte uma tens o monof sica ou trif sica em uma tens o DC e s o usados diodos como elementos de retifica o. 2. Retificadores controlados (AC para DC) converte uma tens o monof sica ou trif sica em uma tens o vari vel e s o usados SCRs como elementos de retifica o. 3. Choppers DC (DC para DC) converte ums tens o DC fixa em tens es DC vari veis. 4. Inversores (DC para AC) converte uma tens o DC fixa em uma tens o monof sica ou trif sica AC, fixa ou vari vel, e com frequ ncias tamb m fixas ou vari veis. 5. Conversores c clicos (AC para AC) converte uma tens o e frequ ncia AC fixa em uma tens o e frequ ncia AC vari vel. 6. Chaves est ticas (AC ou DC) o dispositivo de pot ncia (SCR ou triac) pode ser operado como uma chave AC ou DC, substituindo, dessa maneira, as chaves mec nicas e eletromagn ticas tradicionais.

5 Aplica es da Eletr nica de Pot ncia A transfer ncia de pot ncia el trica de uma fonte para uma carga pode ser controlada pela varia o da tens o de alimenta o (com o uso de um transformador vari vel) ou pela inser o de um regulador (como uma chave). Os dispositivos semicondutores utilizados como chaves t m a vantagem do porte pequeno, do custo baixo, da efici ncia e da utiliza o para o controle autom tico da pot ncia. INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA O CI NCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE Apostila DE ELETR NICA DE POT NCIA 3 A aplica o de dispositivos semicondutores em sistemas el tricos de pot ncia vem crescendo incessantemente. Os dispositivos como diodo de pot ncia, transistor de pot ncia, SCR, TRIAC, IGBT etc, s o usados como elementos de chaveamento e controle de fornecimento de energia de m quinas e motores el tricos.

6 Dentre as aplica es cotidianas mais comuns se destaca o controle microprocessado de pot ncia. Fig. 01 - Controle microprocessado de pot ncia Os equipamentos de inform tica, tais como a fonte de alimenta o chaveada do PC, o estabilizador, o no-break, etc, utilizam como elementos principais dispositivos semicondutores chaveadores (Mosfets, IGBTs, TJBs, etc). Fig. 02 - No-break Fig. 03 - Fonte Chaveada de PC 2. Dispositivos de pot ncia: caracter sticas e funcionamento Diodos de pot ncia O material ativo mais comum para a constru o do diodo o sil cio, um material semicondutor, ou seja, classificado entre o isolante e o condutor, cuja resist ncia decresce com o aumento da temperatura. O sil cio um elemento do grupo IV da tabela peri dica e tem quatro el trons na ltima rbita em sua estrutura at mica. Se a ele for acrescido um elemento pentavalente, com cinco el trons na ltima rbita, haver um el tron livre na estrutura do cristal.

7 O el tron livre possibilita um grande aumento na INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA O CI NCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE Apostila DE ELETR NICA DE POT NCIA 4 condu o e, como o el tron uma carga negativa, esse material conhecido como semicondutor tipo N. Se ao sil cio for acrescentada uma impureza trivalente, um elemento com tr s el trons na sua ltima rbita, surge um vazio ou lacuna na estrutura cristalina, que pode receber um el tron. Esse vazio pode ser considerado uma carga positiva, conhecida como lacuna, e possibilita um grande aumento na condu o; esse material dopado conhecido como semicondutor tipo P. O grau de dopagem (adi o de impurezas) da ordem de 107 tomos.

8 Em semicondutores tipo N, a maioria dos portadores de corrente de el trons e a minoria de lacunas. O contr rio aplica-se a semicondutor tipo P. Dependendo da dopagem, a condutividade do semicondutor tipo N ou P aumentada muito se comparada ao sil cio puro. O diodo mostrado abaixo formado pela jun o dos materiais dos tipos N e P. Desta forma, s h passagem de corrente el trica quando for imposto um potencial maior no lado P do que no lado N. Devido a uma barreira de potencial formada nesta jun o (V ), necess ria uma com valor acima de 0,6V (em diodos de sinal) para que haja a condu o. Em diodos de pot ncia, esta tens o necess ria gira em torno de 1 a 2V. Figura 04 S mbolo do diodo Na figura 05 vemos o aspecto f sico de um diodo de pot ncia caracterizado pelo anodo rosqueado. Figura 05 Aspecto f sico do diodo de pot ncia Principais valores nominais para os diodos Tens o de pico inversa (PIV) O valor nominal da tens o de pico inversa (peak inverse voltage PIV) a tens o inversa m xima que pode ser ligada nos terminais do diodo sem ruptura.

9 Se for excedido a PIV nominal, o diodo come a a conduzir na dire o inversa e pode ser danificado no mesmo instante. Os valores nominais da PIV s o de dezenas a milhares de volts, dependendo do tipo do diodo. Os valores nominais da PIV s o tamb m chamados de tens o de pico reversa (PRV) ou tens o de ruptura (VBR). INSTITUTO FEDERAL DE EDUCA O CI NCIA E TECNOLOGIA DO RN CAMPUS NATAL ZONA NORTE Apostila DE ELETR NICA DE POT NCIA 5 Corrente direta m dia m xima (If(avg)Max) A corrente direta m dia m xima a corrente m xima que um diodo pode aguentar com seguran a quando estiver diretamente polarizado. Os diodos de pot ncia est o dispon veis com valores nominais que v o desde alguns poucos a centenas de amp res. Tempo de recupera o reverso (trr) O tempo de recupera o reverso de um diodo bastante significativo em aplica es de chaveamento em alta velocidade.

10 Um diodo real n o passa, em um nico instante, do estado de condu o para o estado de n o-condu o. Nesse momento, uma corrente inversa flui por breve per odo, e o diodo n o desliga at que a corrente inversa caia a zero. O intervalo durante o qual a corrente inversa flui denominado de tempo de recupera o reverso. Durante este per odo, s o removidos os portadores de carga armazenados na jun o quando a condu o direta cessou. Os diodos s o classificados como de recupera o r pida e lenta com base nos tempos de recupera o. Esses tempos v o da faixa de microssegundos, nos diodos de jun o PN, a v rias centenas de nanossegundos em diodos de recupera o r pida, como o Schottky. Os diodos de recupera o r pida s o utilizados em aplica es de alta frequencia, tais como inversores, choppers e nobreaks. A figura abaixo mostra um caso onde o diodo conduzia a corrente direta (IF) e que, depois de desligado, existe um tempo em que a corrente flui no sentido inverso (IRR).