20%: 01 Mini-teste / Pesquisa Dirigida 30%: 03 atividades experimentais (no mínimo) 50%: 01 Prova

Transcrição

1

2 Ementa da Disciplina 1. Dispositivos Semicondutores 2. Circuitos Retificadores 3. Conversores CC-CC 4. Conversores CC-CA (Inversores) 5. Conversores CA-CA (Gradadores) 6. TCA785 2

3 Importante!!! AVALIAÇÃO CONTINUADA Unidade 1: 20%: 01 Mini-teste / Pesquisa Dirigida 30%: 03 atividades experimentais (no mínimo) 50%: 01 Prova Recuperação: 11/04 Unidade 2: 20%: 01 Mini-teste / Pesquisa Dirigida 30%: 03 atividades experimentais (no mínimo) 50%: 01 Prova Recuperação: 03/07 3

4 Dispositivos Semicondutores SCR DIAC TRIAC GTO IGBT MOSFET Aplicações 4

5 Dispositivos Semicondutores Retificador a arco de mércúrio Retificador de tubo a vácuo - Thyratron Invenção do Tiristor Aplicação de técnica de chaveamento rápido controlado completo por dispositivos semicondutores GTO GTR MOSFET de potência Tiristor Tiristor Diodo de potência (microprocessador) s 1980s IGBT MOSFET de potência Tiristor (DSP) Pré história 1ª Fase 2ª fase 3ª fase 5

6 Aplicações Aplicações Industriais Controle de motores Eletrólise Fornos a arco Inversores

7 Aplicações Transporte Trens e locomotivas Metrô Ônibus sob trilhos Levitação magnética Veículos elétricos Eletrônica automotiva CHIP para Sistemas elétricos Aeronaves

8 Aplicações Sistemas Utilitários Transmissão em alta tensão DC (FACTS) Compensação estática de reativos e harmônicos Otimização de potência e controle de qualidade Fontes complementares de energia: Eólica, solar, células Armazenamento de energia

9 Aplicações Fontes para suprimento de equipamentos eletrônicos Telecomunicações Computadores Instrumentos eletrônicos Equipamentos portáteis e móveis Eletrônicos em geral

10 Aplicações Aplicações residenciais Controle de iluminação Condicionadores de ar Refrigeradores e freezers Microondas

11 Aplicações Tecnologia Espacial Chips espaciais de sistemas de energia Satélites Veículos espaciais

12 Aplicações Outras aplicações Controle de reatores nucleares Aceleradores de partículas Engenharia ambiental

13 SCR Retificador Controlado de Silício O tiristor ou SCR (Silicon Controlled Rectifier Retificador Controlado de Silício) foi desenvolvido no Bell Telephone Laboratory (EUA), em Tiristor é o nome genérico dado à família dos componentes eletrônicos formados por quatro camadas semicondutoras (PNPN).

14 SCR Retificador Controlado de Silício Funcionam de forma semelhante a um diodo, porém, possuem um terceiro terminal chamado comumente de porta (gate) - gatilho para o dispositivo. A principal aplicação do SCR é na conversão e controle de potência em circuitos de corrente contínua (CC) e alternada (CA)

15 Tabela 1. Características de funcionamento dos tiristores (SCRs). # Característica A B C D E São chaves biestáveis, ou seja, trabalham em condução e nãocondução, com a possibilidade de controle. Compostos por quatro camadas PNPN, três junções PN e três terminais (Ânodo, Cátodo e Gatilho). São semicondutores e silício. O uso do silício ocorre devido a alta capacidade de processamento de potência e de suporte a altas temperaturas. Alta capacidade de comutação e elevada vida útil. Aplicados em controles de relés, fontes reguladas, controle de velocidade de motores, carregadores de baterias, controle de iluminação e aquecimento, Inversores de frequência, circuitos de proteção, etc. 15

16 SCR Retificador Controlado de Silício Fig. 2. Estrutura interna de um tipo de distribuição em camadas do SCR. 16

17 SCR Retificador Controlado de Silício Funcionamento O tiristor é formado por quatro camadas semicondutoras, alternadamente p-n-p-n, possuindo 3 terminais: anodo e catodo, pelos quais circula a corrente, e a porta (ou gate/gatlho) que, a uma injeção de corrente, faz com que se estabeleça a corrente anódica (no ânodo).

18 SCR Retificador Controlado de Silício Funcionamento Se entre anodo e catodo tivermos uma tensão positiva, as junções J1 e J3 (P-N) estarão diretamente polarizadas, enquanto a junção J2 (N-P) estará reversamente polarizada. e a ruptura da barreira de potencial em J2. Não haverá condução de corrente até que a tensão V ak (entre os terminais do tiristor) se eleve a um valor que provoque a ruptura da barreira de potencial em J2.

19 SCR Retificador Controlado de Silício Funcionamento Se houver uma tensão V gk positiva (entre o gatilho e o cátodo), circulará uma corrente através de J3, com portadores negativos indo do catodo para a porta. Desta forma, a junção J2 reversamente polarizada tem sua diferença de potencial diminuída e se estabelece uma corrente entre anodo e catodo, que poderá persistir mesmo na ausência da corrente de porta/gate.

20 SCR Retificador Controlado de Silício Quando a tensão V ak for negativa, as junções J1 e J3 estarão reversamente polarizadas funcionando como chaves abertas, enquanto J2 estará diretamente polarizada. Uma vez que a junção J3 é intermediária a regiões de alta dopagem, ela não é capaz de bloquear tensões elevadas, de modo que cabe à junção J1 manter o estado de bloqueio do componente. O SCR desliga quando se desliga a corrente pelo anodo.

21 21

22 SCR Retificador Controlado de Silício 22

23 Tabela 2. Aspectos sobre polarização direta e indireta de SCRs. Polarização direta Tensão do ânodo positiva em relação ao cátodo. Duas junções (J1 e J3) polarizadas diretamente. Uma junção polarizada reversamente (J2). Maior barreira de potencial. Circula pequena corrente de fuga direta (I F ) do ânodo para o cátodo. Bloqueio direto: desligado. Polarização reversa Tensão do cátodo positiva em relação ao ânodo. Junção J2 diretamente polarizada. J1 e J3 reversamente polarizadas: apresentam maior barreira de potencial. Circula pequena corrente de fuga de cátodo para ânodo (I R ), chamada corrente reversa. Bloqueio reverso: desligado. 23

24 SCR Retificador Controlado de Silício SCR Ideal Um SCR ideal se comportaria como uma chave ideal, ou seja, enquanto não recebesse uma corrente de gatilho na porta, seria capaz de bloquear tensões tanto em polarização direta como reversa. Quando disparado através do comando de uma corrente de gatilho o SCR se comportaria como um diodo ideal. Os SCRs reais, no entanto, têm limitações de bloqueio de tensão direta e reversa e apresentam certa fuga de corrente quando bloqueados.

25 SCR Retificador Controlado de Silício Analogia Tiristor/Transistores

26 SCR Retificador Controlado de Silício I H - Corrente de Manutenção I L - Corrente de Latching

27 SCR Retificador Controlado de Silício

28 DIAC - Tiristor Diodo Bidirecional Diodo de quatro camadas bilateral (DIAC = Diode AC) é um dispositivo que pode conduzir nos dois sentidos quando a tensão aplicada, com qualquer polaridade, ultrapassar um determinado valor chamado de tensão de breakover (U BO ).

29 No DIAC é desnecessário dar denominações para os terminais porque, em teoria, o dispositivo e completamente simétrico. Na prática existe alguma assimetria, o que em geral é indesejável. DIAC - Tiristor Diodo Bidirecional

30 DIAC - Tiristor Diodo Bidirecional O DIAC pode ser visto como a justaposição de duas estruturas PNPN em ordens inversas (PlN1P2N2 e P2NlPlN3. Cada estrutura é responsável pela condução em um sentido, quando disparada.

31 Aplicando-se ao dispositivo uma tensão com a polaridade indicada na Figura 11 a estrutura que está apta a conduzir é P1N1P2N2. Nessa hipótese, na região de bloqueio, a junção J1 está diretamente polarizada e a J2, inversamente polarizada, sendo essa a junção responsável pelo bloqueio. DIAC - Tiristor Diodo Bidirecional

32 DIAC - Tiristor Diodo Bidirecional A junção J4 está ligeiramente polarizada no sentido inverso devido à queda ôhmica na região P1 resultante da passagem de uma pequena corrente de fuga pelo dispositivo. Essa corrente ao atingir a região P2 se bifurca em 2 componentes: uma que atravessa lateralmente a região P2 até atingir o contato metálico e outra que atravessa a junção J3, diretamente polarizada. 32

33 DIAC Tiristor Diodo Bidirecional Uma das aplicações do DIAC ocorre em circuitos Dimmer regulação da intensidade luminosa. 33

34 DIAC Tiristor Diodo Bidirecional LED Flasher 34

35 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional O TRIAC é uma evolução natural do SCR pois o SCR só pode conduzir em metade do tempo em circuitos CA. Assim para transferir potência total à carga foi inventado o tiristor triodo bidirecional, nome oficial do TRIAC. Tensão da fonte SCR TRIAC 35

36 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional Os dois eletrodos principais MT2 e MT1, neste caso, não são denominados anodo e catodo, pois trabalham com dupla polaridade na tensão alternada. 36

37 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional 37

38 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional Dependendo da tensão entre MT1 e MT2 e do pulso ser positivo ou negativo, temos definido os chamados quadrantes de operação do TRIAC 38

39 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional Nos quadrantes I e III a polaridade é a mesma entre a tensão MT1- MT2 e o pulso de gatilho. Nestes quadrantes o TRIAC é mais sensível e opera melhor. Nos quadrantes II e IV é necessário aplicar um pulso de gatilho com mais energia (maior corrente) para fazê-lo conduzir. Note-se que pulso negativo no gatilho significa a corrente saindo do gatilho 39

40 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional O TRIAC é mais aplicado em corrente alternada (CA), para controle da potência aplicada à carga. Se aplicamos o pulso de gatilho no meio do semiciclo teremos metade da tensão e, assim, metade da potência. Tensão da fonte TRIAC 40

41 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional O circuito equivalente é composto de dois SCRs que se complementam, ou seja, ligados em paralelo com polaridade invertida. 41

42 TIC 226 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional O terminal MT2 é interligado à base metálica, a qual deve ser acoplada a um dissipador de calor, caso opere com correntes e potências elevadas. 42

43 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional 43

44 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional ESPECIFICAÇÕES: # Tensão máxima de trabalho (V DRM ): Admissível qndo off # Corrente máxima (I TRMS ): Corrente rms que circula no TRIAC # Corrente de disparo (I GT ): Máxima suportável pelo TRIAC 44

45 TRIAC Tiristor Triodo Bidirecional Modelos Comerciais BTA24-600: significa que o TRIAC opera com 600 volts e o terminal MT2 é isolado da base de fixação; BTB é o mesmo TRIAC, porém com o terminal MT2 não isolado da base de fixação, ambos com encapsulamento do tipo TO-220AB. 45

46 GTO Gate Turn-Off Thyristor Introdução Tiristor que pode ser desligado por um sinal aplicado à porta/gate; Uma das dificuldades que os projetistas encontram ao utilizar SCRs em seus projetos é que esses componentes, uma vez disparados, assim se mantêm mesmo depois que o sinal de gatilho tenha desaparecido 46

47 GTO Gate Turn-Off Thyristor Introdução O único meio de se desligar o SCR é fazendo com que a corrente principal caia abaixo do valor de manutenção (I H ); No caso de um GTO, o que se faz é estruturar o componente de uma forma diferente de um SCR comum. 47

48 GTO Gate Turn-Off Thyristor Introdução a. As interconexões das camadas de controle são mais finas, minimizando a distância entre a porta e o centro das regiões catódicas e aumentando assim o perímetro das regiões da porta. b. Existem regiões n- que curto-circuitam as regiões anódicas de modo a acelerar o desligamento. c. A tensão de ruptura inversa é muito baixa. 48

49 GTO Gate Turn-Off Thyristor 49

50 GTO Gate Turn-Off Thyristor Curva característica 50

51 GTO Gate Turn-Off Thyristor Como se trata de um tipo especial de SCR, o seu símbolo é semelhante ao deste. 51

52 GTO Gate Turn-Off Thyristor O disparo de um GTO, assim como seu desligamento, devem ser feitos com circuitos e formas de onda apropriadas. Nos circuitos usados para essa finalidade, se observa a necessidade de uma tensão negativa para o desligamento. Assim, nos circuitos com GTOs devem ser utilizados circuitos de disparo simétricos (positivo/negativo). 52

53 GTO Gate Turn-Off Thyristor 53

54 GTO Gate Turn-Off Thyristor Como vantagens em relação aos SCRs, para aplicação em circuitos de mais elevada potência, os GTOs apresentam: Eliminação de componentes de comutação em comutações forçadas, resultando em reduções de custo, peso e volume; Redução de ruídos acústicos e eletromagnéticos, devido à eliminação de "estrangulamentos" de comutação; 54

55 GTO Gate Turn-Off Thyristor Como vantagens em relação aos SCRs, para aplicação em circuitos de mais elevada potência, os GTOs apresentam: Desligamento mais rápido, permitindo maiores frequências de chaveamento (menor tempo de abertura & fechamento das chaves); Melhoria na eficiência dos conversores. 55

56 GTO Gate Turn-Off Thyristor Deve-se sempre lembrar que o GTO pode ser desligado através da aplicação de corrente negativa no gate, enquanto que o anodo é polarizado positivamente com relação ao catodo. 56

57 GTO Gate Turn-Off Thyristor Embora pouco aplicados em âmbito industrial básico, eles são muito utilizados no controle de velocidade de motores de indução, em compensadores estáticos de reativos (SVC) e em fontes de alimentação AC / DC de alta potência. 57

58 Wilker Azevêdo Eletrônica Industrial Experimento 58

59 59

60 60

61 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor É um transistor de chaveamento rápido, caracterizado por uma alta impedância de entrada, apropriado para potências baixas (até alguns kw) e para aplicações de alta frequência (até 100 khz). 61

62 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor O transistor de efeito de campo difere do transistor de junção bipolar nas seguintes características : É de fabricação simples e ocupa menos espaço. O MOSFET quando integrado ocupa menos da área da pastilha ocupada pelo transistor bipolar. Desta maneira, são amplamente utilizados para integração em larga escala (LSI). Em parte da faixa de operação dos MOSFET, eles atuam como elementos resistivos controlados por tensão e ocupam área muito menor que o resistor de um CI equivalente. 62

63 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor É menos ruidoso do que um transistor bipolar, e, portanto mais adequando para estágios de entrada de amplificadores de baixo nível (é extensivamente usado em receptores FM de alta fidelidade). Os MOSFETS quando utilizados na configuração complementar CMOS, a dissipação de potência quiescente é essencialmente nula em baixas frequências. 63

64 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Acumulação X Depleção A diferença básica entre os MOSFETs tipo acumulação e depleção está no canal, ou seja: no modo acumulação para se formar o canal, deve-se aplicar uma tensão de porta-fonte; no modo depleção o canal já é formado (fabricado), e a tensão porta-fonte controla a largura do mesmo. 64

65 (a) tipo depleção canal N; (b) tipo depleção canal P. (c) tipo acumulação canal N; (d) tipo acumulação canal P. 65

66 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Acumulação X Depleção 66

67 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Tecnologia CMOS É bastante comum em circuitos digitais, conectar transistores MOS tipo P e tipo N internamente a um dispositivo complementar ou CMOS 67

68 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Circuitos Digitais com MOSFET Portas lógicas; Registradores ou Conjuntos de memórias. 68

69 MOSFET Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor CI 4007 Os substratos dos dispositivos canal N estão conectados a VSS e dos dispositivos canal P a VDD. VDD deve ser conectado ao potencial mais positivo e VSS ao potencial mais negativo do circuito. 69

70 IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor Mescla características de baixa queda de tensão (perfil do BJT) com as excelentes características de chaveamento do MOSFET. O IGBT reúne a facilidade de elevada impedância de entrada dos MOSFET s com as pequenas perdas em condução. IGBT é um componente que se torna cada vez mais recomendado para comutação de carga de alta corrente em regime de alta velocidade. 70

71 IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor O IGBT é similar ao mosfet, basta polarizar o terminal do (C), em relação ao Emissor (E), com uma tensão aplicada na porta, o dispositivo está ligado. E quando excedido a tensão, desliga o IGBT. 71

72 IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor 72

73 IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor Bloco funcional de um inversor com 6 pulsos 73

74 IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor Estrutura Física Estrutura muito semelhante à apresentada por um MOSFET. No caso do IGBT, teremos uma dupla difusão de uma região do tipo P e uma do tipo N. 74

75 IGBT Isolated Gate Bipolar Transistor 75

76 Wilker Azevêdo Eletrônica Industrial 76