Apostila Eletrônica III

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Eletrotécnica/ Eletrônica Industrial II

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O primeiro transistor. (Cortesia de AT&T, Laboratórios Bell.)





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Índice: Título pág.

Tiristores .................................................................................................. 4 Retificador Controlado de Silício .................................................................................................. 4 Estrutura do SCR .................................................................................................. 5 Circuito Equivalente .................................................................................................. 5 Disparo do SCR .................................................................................................. 6 Comutação do SCR .................................................................................................. 7 Circuito de Controle .................................................................................................. 7 Tabela com alguns SCR .................................................................................................. 9 Prática Testando SCR .................................................................................................. 13 Prática: Controle de Potência com SCR .................................................................................................. 14 Exercícios .................................................................................................. 15 O tiristor GTO .................................................................................................. 15 O tiristor DIAC .................................................................................................. 16 O tiristor TRIAC .................................................................................................. 18 Exercícios .................................................................................................. 19 Aula prática usando TRIAC .................................................................................................. 21 Transistor de Unijunção .................................................................................................. 22 Prática com o UJT .................................................................................................. 26 Regulador de Tensão de Gerador .................................................................................................. 29 Exercícios .................................................................................................. 30 Transistor de Unijunção Programável .................................................................................................. 31 TCA 785 controlando tiristores .................................................................................................. 33 Tiristor acionado por FET (MCT) .................................................................................................. 36 Gráfico comparativo .................................................................................................. 37 Exercícios .................................................................................................. 38 Fotoemissores e fotossensores .................................................................................................. 39 LDR .................................................................................................. 39 Células fotovoltaicas .................................................................................................. 40 Diodo Emissor de Luz .................................................................................................. 41 Fotodiodo .................................................................................................. 42 Fototransistor .................................................................................................. 43 Fotoacopladores .................................................................................................. 43 Exercícios .................................................................................................. 45 Bibliografia .................................................................................................. 45





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Tiristores O nome tiristor é definido pelo IEC (International Eletrotechnical Comission) como um dispositivo semicondutor biestá-vel, contendo três ou mais junções, que pode ser chaveado de um estado de corte para um estado de condução e vice-versa. O termo “tiristor”, além de definir uma classe de componentes eletrônicos, é freqüentemente usado como sinônimo de SCR. A pala-vra tiristor vem do grego e significa “porta”. SCR (Silicom Controled Retifier) O SCR é um componente da família dos tiristores, e o seu nome significa: Retificador Controlado de Silício. O retificador controlado de silício ou diodo controlado de silício é um dispositivo semicondutor de 4 camadas alternadas de dopagem do tipo P e N. Ao contrário dos transistores bipolares e dos fets (fets = transistores de efeito de campo), que podem trabalhar como am-plificadores lineares ou como chaves, o SCR só funciona como chave. Nos últimos anos, tem sido fabricado SCR’s para controlar potências da ordem de 10 M W, com capacidade de corrente da ordem de 3KA e tensões de bloqueio de até 5KV. A faixa de freqüência atinge até 10kHz, permitindo aplicações em altas freqüências. Símbolo do SCR: Princípio de funcionamento: O SCR é um diodo de silício com um terceiro terminal para fins de controle. Foi escolhido o silício, devido a sua alta capacidade de suportar altas temperaturas conseqüentemente conseguindo controlar elevada potência. A operação básica do SCR é pouco diferente da do diodo semicondutor de 2 camadas. Os dois só devem conduzir em apenas um sentido, sendo que o SCR pode não conduzir também no sentido direto. Nesta situação só passaria conduzir se recebesse um comando (pulso positivo) no gate. Conduzindo o SCR voltaria a deixar de conduzir, quando a corrente que passa por ele ficasse abaixo da corrente de manutenção (IH= corrente de manutenção, é a menor corrente de ânodo capaz de manter o SCR no estado de condução). Curva Característica Volte x Ampère de um SCR:

OBS.: IG4 > IG3 > IG2 > IG1 > IG0=0

Observando a curva característica acima, percebemos que em relação à polarização reversa (VAK<0), não existe nenhuma novidade, pois o SCR possui, em polarização reversa, comportamento semelhante a de um diodo. Para polarização direta (VAK>0), pode-se perceber que o ponto onde inicia a condução, depende da corrente aplicada no gatilho, ocorrendo em um valor de VAK mais baixo à medida que aumenta IG. A justificativa para este fato é que uma injeção maior de portadores na região de gatilho, permite que o fenômeno de avalanche que dá início ao processo regenerativo que mantém o SCR em condução, ocorra em um menor valor da tensão VAK. Para um valor de IG igual a IGT, o SCR se comporta exibindo características semelhantes a um diodo comum, polarizado diretamente, vencendo facilmente a barreira de potencial, VAK1V.

A (Ânodo) K (Cátodo)

G (Gate) (Porta)

IG4 IG3 IG2 IG1 IG0=0

Corrente de manutenção IH

Máxima tensão repetitiva de bloqueio no sentido direto VDRM

Pico não repetitivo da tensão de bloqueio no senti-do direto.

(IGT) corrente de gate que força o SCR a se compor-tar como um diodo comum.

Máxima tensão reversa repetitiva

IA

VAK

Máxima tensão reversa não

repetitiva





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Estrutura em barras do SCR: Análise da estrutura do SCR sendo polarizada:

Polarização Reversa: Observando a estrutura do SCR vê-se que para VAK<0, o que corres-ponde a polarizarmos inversamente este componente, existem duas junções polarizadas inversamente (J1 e J3) e uma polarizada diretamente (J2). Nesta condição não haverá passagem de corrente significativa. A aplicação de corren-te de gatilho nesta situação, faria fluir uma corrente de fuga de ânodo, de valor aproximadamente igual a corrente de gatilho causando um super aquecimento da junção, podendo danificar o componente. Polarização Direta: Em polarização direta haverá duas junções polarizadas diretamente (J1 e J3) e uma polarizada inversamente (J2). Esta polarização reversa em J2 , difi-culta bastante o fluxo de corrente, havendo apenas uma corrente de fuga de baixo valor. Se aplicarmos um pulso de corrente no terminal de gatilho, os portadores injetados causarão um fenômeno de avalanche na junção J2, fazendo com que a corrente de ânodo aumente bastante, sendo limitada apenas pela impedância externa conectada em série com o SCR (impedância externa é a carga).

Reestruturando de uma outra forma a representação em barras do SCR: Baseado-nos na reestruturação do SCR tiramos o seu circuito equivalente: - transistor T1=PNP - transistor T2=NPN Polarização do circuito equivalente do SCR:

No circuito a seguir ao fecharmos a chave CH1, polarizamos o SCR diretamente (ânodo positivo e cátodo negativo). En-tretanto, o mesmo não entrará em condução, pelo fato de IC2 e IC1 serem quase zero, com isso tornando as correntes de base (IB2 e IB1) praticamente igual a zero, mantendo os transistores T2 e T1 em estado de corte.

P1

P2

N1

N2

anodo

catodo

gate

(-)

(+)

J1

J2

J3

P1

P2

N1

N2

anodo

catodo

gate

(+)

(-)

J1

J2

J3

Ânodo T1 Gate T2

Cátodo

P

P

N

N

ânodo

cátodo

gate

P

N N

P P

N

A

G

K

T2

T1





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Ao fecharmos a chave CH2, mesmo por um breve intervalo de tempo, injetamos uma corrente de base em T2 fazendo com que IB2 aumente. Em conseqüência, IC2 aumentará, acontecendo o mesmo com IB1 e IC1, ocasionando um novo aumento em IB2. Este processo é continuo, as correntes aumentando de valor até que ambos os transistores saturem. A partir deste instante, pode-se retirar a excitação de gatilho, abrindo-se a chave CH2, que o processo se mantém, com um transistor alimentando o outro . O mínimo valor de corrente de ânodo, para qual este processo estabiliza, recebe o nome de corrente de partida (latching em inglês).

Métodos de disparar (ou provocar a condução) do

SCR:

Obs.: o componente SCR só pode disparar no

primeiro quadrante, VAK e VG positivos : 1) Disparo por pulso de gatilho:

Esta é a forma usual de disparo. Estando os terminais de ânodo e cátodo polarizados diretamente, ânodo positivo em rela-ção ao cátodo, o SCR deve estar cortado, praticamente não conduzindo. Ao aplicarmos um pulso de tensão positiva no gate em relação ao cátodo, estaremos causando uma corrente no terminal do gate; se esta corrente possuir um valor acima do valor mínimo necessário para provocar o disparo do SCR, este tiristor começará a conduzir intensamente. A corrente de ânodo será máxima, tendo como limitação à fonte e a carga do circuito. Uma vez estando conduzindo, a corrente de gate pode ser levada a zero, que o componente SCR continuará conduzindo ao máximo. 2) Disparo por sobretensão: À medida que se aumenta a tensão VAK, tensão entre os terminais de ânodo e cátodo, este aumento reflete-se totalmente na junção J2, uma vez que as junções J1 e J3 estão polarizadas diretamente. Haverá um momento em que o campo elétrico da jun-ção sob polarização inversa, fica tão elevado, que acontece uma aceleração dos portadores minoritários que a cruzam, a tal ponto que um fenômeno de avalanche se estabelece, provocando um aumento da corrente de ânodo. Esta corrente será limitada apenas pelas resistências colocadas em série com o SCR, entrando o mesmo em condução. Este procedimento, nem sempre é destrutivo, raramente é utilizado na prática. Para o gatilho em aberto, ou seja IG=0, a tensão na qual o SCR passa ao estado de condução, é chamado de tensão de “breakover” VBO ( tensão de avalanche). 3) Disparo por velocidade (disparo por dV/dt): Em um SCR sob polarização direta, sem aplicação de um pulso de disparo, verificamos que uma das junções está sob polarização inversa, havendo portanto uma distribuição de cargas nas proximidades da junção J2. Pode-se associar a esta distribuição de cargas, um efeito capacitivo. Na pratica diríamos que nesta junção existe um capacitor. Lembrando a relação entre tensão e corrente em um capacitor: i = C.dV/dt A expressão nos diz que para haver corrente em um capacitor, é necessário que haja uma variação da tensão aplicada. Em outras palavras, se houver uma variação “instantânea” da tensão aplicada a um capacitor, haverá uma corrente associada. Com o “capacitor” associado à junção J2 de um SCR diretamente polarizado, pode ocorrer algo semelhante. Variações bruscas de tensão sobre os terminais de ânodo e cátodo do SCR, podem provocar correntes de ânodo, com intensidade suficiente, a ponto de provocar o disparo deste tiristor. Esta maneira de disparar o SCR, deve ser evitada a todo custo, uma vez que a mesma é de difícil controle. A forma com que o SCR é disparado por este método, na maioria das vezes tem como causa ruídos na rede de alimentação.

Evita-se este disparo indesejável, com o uso de filtros de rede do tipo passa baixa. Vide FIG A 4) Disparo por aumento de temperatura: Sabe-se que a corrente que circula por uma junção PN sob polarização inversa, é extremamente dependente da temperatu-ra. Isto se dá porque esta corrente acontece devido ao fluxo de portadores minoritários, cuja concentração depende da temperatura da junção. Em termos quantitativos, em dispositivos de silício, esta corrente aproximadamente dobra a cada 10C de aumento do calor do semicondutor. Aumentando a temperatura de um SCR, aumentaremos a corrente reversa em J2, este acréscimo pode levar o dispositivo ao disparo. Normalmente não usamos este método de disparo do SCR, na maioria das vezes ele é indesejável. 5) Disparo por luz ou radiação: A incidência de energia radiante sob a forma de fótons (luz), raios gama, nêutrons, prótons, elétrons, raios X, ... , sobre uma “janela”, adequadamente colocada num SCR específico, pode dispara-lo. O dispositivo que possui este modo de disparo, é chamado LASCR (Light Activated Silicon Controlled Rectifier). Além de disparar pela incidência de luz, este dispositivo pode ser disparado por pulsos de gatilho, uma vez que o mesmo possui o respectivo terminal.

A

IB1 T1 IC2 IC1 T2

G IB2 k

CH1 CARGA

+ Vcc

- RG CH2

+ Vg -

VG

VAK

I quadrante SCR com possibilidade de disparar (+VAK e +VG)

II quadrante SCR não dispara (-VAK e +VG)

III quadrante SCR não dispara (-VAK e -VG)

IV quadrante SCR não dispara (+VAK e -VG)

FIGURA A





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Comutação de Tirirstores SCR: Comutar um SCR, significa levá-lo ao estado de bloqueio. Em outras palavras, a comutação se completa, quando cessa a condução de corrente no sentido direto e a reaplicação de tensão direta entre ânodo e cátodo do SCR, não consegue restabelecer a condução do mesmo. Existem três métodos principais de provocar o bloqueio do SCR: 1) Comutação natural:

Quando se reduz a corrente de ânodo abaixo de um valor mínimo IH (IH= corrente de manutenção), o SCR comuta (des-liga). A corrente de manutenção tem um valor baixo, normalmente cerca de 1000 vezes menor que a corrente nominal do dispositi-vo.

Em um circuito CA, a corrente normalmente passa pelo zero em algum ponto, levando desta forma o SCR ao bloqueio. Entretanto em circuito CC, uma vez que a tensão entre ânodo e cátodo permanece positiva, a corrente de ânodo só pode ser reduzi-da pela abertura de uma chave, pelo aumento da impedância de carga ou desviando parte da corrente de carga através de um circui-to paralelo com o tiristor, ou em outras palavras, curto-circuitando o SCR. 2) Comutação por Polarização Reversa: O circuito de SCR alimentado com tensão CA, tem suas correntes invertidas a cada troca de semiciclo da tensão da rede, polarizando inversamente os SCR (cátodo positivo e ânodo negativo), provocando desta forma o bloqueio dos SCR. Forma esta de comutar os SCR é conhecido por comutação por fase ou comutação pela rede. Em circuito CC deve-se arranjar um meio de aplicar-se uma tensão reversa entre os terminais de ânodo e cátodo, nem que seja pelo auxílio de uma fonte externa, de modo a provocar o bloqueio do SCR pela inversão da corrente de ânodo. 3) Comutação por pulso de corrente: Existem certos dispositivos eletrônicos especialmente construídos, que conseguem bloquear pela aplicação de um pulso de corrente negativa aplicada em seu gate. Esta corrente negativa provoca um acréscimo da corrente necessária para manter o SCR conduzindo (corrente IH), a ponto de esta superar a corrente de carga. Desta forma o SCR comuta.

Um caso especial deste tipo de SCR é o GTO, SCR com desligamento pelo gate. Circuitos para controle de potência usando SCR: Controle de fase de 0 a 90.

O circuito a seguir representa o controle de fase mais simples que se pode construir, empregando-se o SCR. Este circuito pode controlar luminosidade de uma lâmpada, velocidade de motores e outras cargas. A potência entregue a carga pode ser expres-sa em termos do produto da tensão média pela corrente requerida pela carga. Variando-se o ângulo ( = ângulo de disparo do SCR) varia-se VL médio na carga e, por conseqüência, a potência da mesma. Considerando-se o semiciclo positivo, na proporção que a tensão de alimentação cresce, a tensão de gate cátodo cresce. Surge então uma corrente de gate, que é limitada pela resistência do potenciômetro R. Se esta resistência for de valor pequeno, a corrente de disparo será atingida com um valor de tensão VCA baixo. Se o valor da resistência for alto, o ângulo será maior. Este circuito só permite o controle de 0 a 90, porque a corrente de disparo esta em fase com a tensão da rede, que atinge o seu valor máximo exatamente em = 90. Se o SCR não disparou até este valor, não irá disparar , pois de 90 em diante, a tensão de gate e a tensão entre ânodo cátodo decrescem, tornando quase impossível o disparo deste tiristor. O diodo colocado em série com o terminal de gate, serve para proteger a junção gate cátodo, de uma polarização inversa (corrente contrária de gate). Esta polarização inversa poderia acontecer, durante o semiciclo negativo da rede, fração de período em que o SCR não deve conduzir. Controle de fase de 0 a 180. Para obter-se o controle de 0 à 180, recorre-se a circuitos RC. O elemento principal deste tipo de controle é o capacitor que possibilita obter um retardo no tempo de disparo do SCR. O instante que a tensão de disparo será atingida, dependerá dos valo-res de R2, R1 e C, que formam o conhecido circuito RC, que nos fornece a “constante RC”. A tensão de disparo é resultado do valor de tensão sobre o capacitor, subtraído da tensão sobre o diodo D1, como a tensão do capacitor sofre uma defasagem (atraso) em relação a tensão da rede, é possível atingir um valor crescente de tensão sobre o gate, mesmo depois de termos ultrapassado o valor da tensão de pico da rede. Desta forma podemos provocar o disparo do SCR além dos 90 até bem próximo dos 180. O diodo D2, quando polarizado diretamente, permite que o capacitor C se carregue rapidamente. Esta carga ocorre em fase com o semiciclo negativo (até 270) , fazendo com que no capacitor, se forme uma diferença de potencial negativo bastante elevado. Este potencial negativo contribui no atraso que irá provocar, com a descarga de todo este potencial somado ao tempo que o capacitor irá levar para atingir um potencial positivo, que possibilite o disparo do SCR, numa faixa muito ampla de tensão da rede, de 0 à 180 (aproximadamente).

A K

G VCA

D

R1 R2

CARGA

wt

wt

V carga

VCA





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Circuito que permite o controle dos dois semiciclos de uma rede alternada, utilizando-se retificador em ponte:

Percebe-se que os circuitos anteriores só permitem a condução do SCR nos semiciclos positivos, o que se torna inconveni-ente, para alguns tipos de cargas. Para obter-se controle completo, nos dois semiciclos, adiciona-se uma ponte retificadora ao cir-cuito. Note que este circuito, permite que a carga, colocada antes do retificador em ponte, receba uma corrente alternada com valor de tensão média ajustável, pelo controle do ângulo de disparo do SCR. O circuito do SCR recebe corrente unidirecional pul-sante, o que garante sua condução nos dois semiciclos da tensão de entrada. A carga pode ser instalada opcionalmente, em série com o ânodo do SCR, a corrente na carga nesta nova situação seria igual a corrente de ânodo, conseqüentemente, unidirecional pulsante. Ao final de cada semiciclo da onda retificada, a tensão cai a zero possibilitando o bloqueio do SCR. Este tipo de circuito (com ponte retificadora) é confiável para cargas resistivas, mas para cargas reativas torna-se necessá-ria uma análise mais detalhada, uma vez que o tempo disponível para cortar o SCR (VAK=0) é muito pequeno. Desta forma a defasagem existente entre a tensão VAK e a corrente IA podem tornar quase impossível a tarefa de provocar o bloqueio do tiristor SCR.

Outros circuitos retificadores, que empregam o SCR, para controlar o valor médio da tensão retificada de saída. Circuito Retificador Trifásico controlado de meia onda:

wt

wt

V carga

VCA

A K

G VCA

D1 C

R1 R2

CARGA

D2

wt

wt

V carga

VCA

A K

G

D1 C

R1 R2 CARGA D2

carga opcional

VCA

A SCR1 IO VA Vo CARGA VC VB SCR2 C B SCR3

R S T

SCR1 SCR2 SCR3

D1 D2 D3

CARGA

IO

Circuito Retificador Trifásico semicontrolado de onda Completa ou em Ponte.





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TABELA CONTENDO CARACTERÍSTICAS DE ALGUNS SCR’s:





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CEFET-RS Curso de Eletrotécnica Disciplina de Eletrônica Industrial Professor: Paulo Eduardo Mascarenhas Ugoski AVALIAÇÃO PRÁTICA COM TIRISTOR SCR: NOTA:.............. Turma: ............... Data / Hora: ................................... às .....h ....min Dupla de alunos: -1 Aluno(a): ..................................................................................................................................... -2 Aluno(a): ..................................................................................................................................... Testando o componente SCR: Introdução Temos circuitos eletrônicos de potência que utilizam em suas saídas, o tiristor SCR. Um dos defeitos mais corriqueiros nestes equipamentos, é a “queima” destes tiristores, visto que estes componentes, por estarem na etapa de potência, são muito mais solicitados que qualquer um outro componente do circuito. Mesmo o componente estando “queimado” nem sempre apresenta vestígios externos, visíveis, de suas disfunções. Para sabermos se realmente este componente esta ou não funcionando, um dos métodos é alimentar o circuito, quando possível, e medir as tensões que o mesmo apresenta em seus terminais. Caso a alimentação do circuito não possa ser restabelecida por algum motivo, por exemplo: o circuito provoca a queima de fusíveis, componentes pegam fogo e (ou) o circuito provoca queima dos equipamentos ligados em sua saída. Devemos retirar os componentes suspeitos e testa-los fora do circuito. Componentes a serem utilizados: SCR’s e resistores. Equipamentos utilizados: multímetro analógico e fonte cc. Teste: Introdução: Para testarmos o componente devemos identificar os seus terminais. Observe os desenhos abaixo: Símbolo: Representação física: Procedimento: a) Usando o multímetro na escala mais baixa do ohmímetro (R x 1), iremos medir as resistências encontradas entre os terminais do SCR, dois terminais verificados de cada vez. b) Medição de resistência elevada (tendendo ao infinito) entre os terminais de Ânodo e Cátodo, quando diretamente ou inversa-mente polarizados. c) Polarizando os terminais de Ânodo e Cátodo diretamente, encontraremos resistência elevada. Posicionando o terminal positivo do ohmímetro de forma a conseguir aplicar um pulso positivo no terminal de gate, sem deixar de continuar tocando no terminal de ânodo, verificaremos o disparo do SCR (resistência de valor baixo). Mantendo os terminais de Ânodo e cátodo “alimentados”, vamos desencostar o terminal positivo do gate e o SCR deverá manter-se conduzindo, salvo SCR’s de grande porte, que podem deixar de conduzir, visto que a corrente fornecida pelo ohmímetro pode ser inferior a corrente IH. O ohmímetro pode não ser capaz de disparar alguns SCR’s de porte maior. Para efetuarmos o teste podemos fazer uso de uma fonte de tensão CC. Polarizando âno-do positivo em relação ao cátodo, em série com um resistor, o SCR deve se manter cortado até o momento que aplicamos um pulso de corrente no gate, situação que o SCR deverá disparar e manter-se conduzindo, mesmo depois de retirado o pulso da porta. d) A medição de resistência resultará em valor elevado, quando estivermos verificando os terminais de gate e ânodo. e) Medindo a resistência entre gate e cátodo, encontraremos um valor baixo, quando gate for positivo em relação ao cátodo. Quan-do gate receber tensão negativa em relação ao cátodo, a resistência será baixa tendo valor superior ao anterior.


G (Gate) (Porta)

K G

A

A K A G

A

K A G





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Exemplificação do teste de disparo do componente SCR usando o ohmímetro analógico:

Exemplo de tiristores SCR em diversos encapsulamentos, peso , corrente e tensão:

A K A G

0

A K A G

0

- + - +

SCR 240g IRMS = 1400 A IRMS = 1600 A

IRMS= 600 A IRMS= 700 A

VRMS de: 900V a 2300V Peso aproximado de 940 g

Peso: IRMS = 2150 A 2,25kg IRMS = 2400 A 2,80kg

VRMS de: 1200V a 1600V

Tiristor: Duplo SCR

VRMS =1300 V IRMS = 45A

Visão da parte interna de um módulo:

VRMS de: 500V a 2100V IRMS de : 115 A a 175 A





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A K

D1 R3 G

VCA

C

R1 R2

CARGA

D2

CEFET-RS Curso de Eletrotécnica Disciplina de Eletrônica Industrial Professor: Paulo Eduardo Mascarenhas Ugoski AVALIAÇÃO PRÁTICA: CONTROLE DE POTÊNCIA COM TIRISTOR SCR: NOTA:.............. Turma: ............... Data / Hora: ................................... às .....h ....min Dupla de alunos: -1 Aluno(a): ..................................................................................................................................... -2 Aluno(a): ..................................................................................................................................... Componente a ser ensaiado: SCR em placa de Circuito Impresso. Circuito examinado: Controlador de fase de 0 à 180 com SCR (controlador de potência) Instrumentos; fonte de tensão AC de 60 Volts e osciloscópio. Diagrama Eletrônico: Procedimento: Ensaiar o circuito do controlador de potência, anotando todos os dados obtidos, de forma a apresentar estes resultados em um relatório, constando em um gráfico as tensões visualizadas no osciloscópio e seus respectivos valores principais Ensaio: - acrescentar no diagrama desenhado acima, os valores nominais dos componentes do circuito recebido, certifique-se de que todos os componentes contidos no circuito impresso, estão representados corretamente no diagrama; - identificar os pontos de alimentação, deste circuito baseado na observação do seu diagrama esquemático; - alimentar o circuito utilizando tensão alternada de 60 Volts 60Hz, fornecida pela bancada; Medições Utilizando o osciloscópio: Regular o potenciômetro para três valores distintos. 1) Potenciômetro com valor má-ximo, tomando o cuidado para que a carga apresente alguma tensão visível na tela do osciloscópio; 2) Potenciômetro com valor médio; 3) Potenciômetro com valor mínimo.

- medir as tensões de ânodo em relação a massa; - medir as tensões de gate em relação a massa;

- medir as tensões na carga e tensões entre ânodo e cátodo. Usando os dois canais do osciloscópio: (NUNCA USE AS GARRAS JACARÉS EM DOIS PONTOS DISTINTOS) - observe as formas de ondas encontradas na entrada do circuito e a tensão entre ânodo e cátodo; - observe as formas de ondas encontradas na entrada do circuito e a tensão sobre o capacitor; - observe as formas de ondas encontradas sobre a carga e a tensão entre ânodo e cátodo do SCR (use o canal 2 com a ponteira positiva no cátodo e a garra jacaré no ânodo, o canal 1 com a ponteira positiva do lado da tensão positiva e a garra jacaré também no ânodo do SCR);





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t t t t t

VCA

VC

VG

VAK

Vcarga

Desenhe as formas de ondas, tensão em função do tempo, encontradas na observação feita usando os dois canais do ins-trumento para os três ajustes das tensões de disparo: 1) Máxima tensão na carga; 2) tensão média na carga, disparo aos 90 do SCR e 3) tensão mínima na carga, disparo próximo aos 180. Conclusões: ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ ............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ EXERCÍCIOS:





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EXECUTE AS SEGUINTES QUESTÕES: 1) Como é chamado o valor mínimo de corrente direta exigida para manter o SCR no estado de condução? 2) Explique uma situação em que o SCR pode conduzir perfeitamente: 3) Desenhe a curva característica do SCR identificando nesta curva: a) o ponto onde o SCR, polarizado diretamente, inicia a con-duzir mais intensamente, sem ter corrente de gate aplicada; b) o ponto onde o SCR passaria a conduzir, mais intensamente, sob polarização reversa: 4) Complete as lacunas em branco, de forma adequada, mantendo as afirmativas verdadeiras a) O SCR possui ................................... camadas semicondutoras. b) O SCR tem três terminais que são denominados ................................... , ................................... e ................................... . c) O SCR é usado basicamente como uma ................................... eletrônica. d) Sob condições normais um SCR é polarizado de modo que possa ser ativado com a aplicação de um pulso de corrente na .................................... . e) Três aplicações para o SCR: controle de luminosidade, ................................... e ................................... . 5) Defina tiristores: 6) Descreva o disparo do SCR ocorrido por aumento de temperatura: 7) Descreva o disparo do SCR ocorrido por sobretensão: 8) Explique a comutação natural do SCR : 9) Explique a comutação por pulso de corrente negativa aplicada no gate SCR : 10) O SCR é um componente que funciona deixando passar, corrente em apenas um sentido. a) Qual o motivo de utiliza-lo em circuitos alimentados por tensão CA? b) Caso alimentássemos estes circuitos, com tensão CC, qual seria o maior inconveniente? 11) Com qual instrumento podemos fazer o teste do o funcionamento do SCR, mesmo antes de colocado em um circuito? Qual a escala mais adequada para realizar o teste? Caso o teste não seja possível de ser feito, somente com este instrumento; qual o prová-vel motivo? 12) Observe o circuito desenhado abaixo. Este circuito deve ser de um controlador de fase de 0 à 180: a) liste os componentes que podem estar faltando; b) modifique os componentes que possam estar em lugar trocado; c) retire os componentes que possam estar a mais no circuito.

.

L

S C R

D 2

D 1

R1

P

R2

T E N S Ã OC A

13) Qual o procedimento necessário, realizado com o circuito controlador de fase à SCR, consiga controlar a tensão alternada em uma carga, aproveitando os dois semiciclos completos fornecidos pela rede? Desenhe o circuito responsável por esta façanha: GTO (Tiristor bloqueável) O GTO é um tiristor que pode ser disparado por um pulso de corrente positiva de curta duração aplicada ao gatilho e, pode continuar conduzindo mesmo que se retire esta corrente, como acontece nos SCR’s. O GTO pode ser desligado (comutado) ao receber um pulso de tensão negativa entre gate e cátodo, conseqüentemente por uma corrente negativa de gate. Esta corrente de bloqueio aplicada ao gatilho deve ter duração na ordem de poucos micros segundos, mas deve ter uma amplitude grande, tipica-mente a corrente para desligar o GTO é tão grande como a corrente de ânodo. Sob polarização reversa o GTO não deve conduzir, chegando a suportar valores de tensão relativamente elevados, depen-dendo da sua construção. Curva característica do GTO: Símbolo do GTO: A tensão que surge nos terminais de ânodo e cátodo do GTO em condução varia de 2 a 3V, muito maior que nos SCR’s. A velocidade de chaveamento está compreendida na faixa de alguns micros segundos a 25 micros segundos. O GTO tem capacidade para funcionar com tensões maiores que 4kV, e com correntes na faixa de kA, razão pela qual justifica seu emprego em circuitos que necessitem de tensões e correntes altas, cuja freqüência de chaveamento varie de algumas centenas de Hertz à 10kHz. Aplicações para o GTO: circuitos geradores de forma de onda; circuitos inversores; circuitos reguladores de tensão e ...

A (Ânodo) K (Cáto-do)

G (Gate) (Porta)

VAK

IA desligamento

disparo VBR





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Circuito aplicativo para o GTO:

Funcionamento do circuito ao lado: Quando aplicarmos uma tensão em VI o GTO deverá conduzir imediatamente, visto que o ânodo deste estará com uma tensão positiva em relação ao cátodo. O cátodo por sua vez terá tensão igual a zero, em relação a massa. O gate deverá ter tensão positiva (Vz), em relação ao cátodo, sufi-ciente para provocar a condução do GTO. Nesta situação inicial, a tensão de saída (VO) deverá ser zero. O capacitor começará a se carregar por meio do GTO, aumentando gradualmente sua diferen-ça de potencial (VO). Quando a tensão sobre o capacitor ultrapas-sar a tensão de gate (Vz), o gate do GTO estará com tensão negati-va em relação ao cátodo, provocando uma corrente inversa no gate. Esta corrente vai aumentando até que atinja um valor suficiente para provocar o bloqueio do GTO. A tensão em VO, neste instante, será superior a Vz. Como o GTO bloqueou, o capacitor deverá se

descarregar por P e R2 até que atinja tensão inferior a VZ, provocando desta forma uma tensão positiva no gate, podendo a mesma provocar um novo disparo do GTO. O ciclo deve se repetir até a retirada da alimentação do circuito. Modificando o valor do po-tenciômetro P poderemos provocar variações no período de funcionamento do circuito. Aumentando P aumentaremos o período e diminuindo P diminuiremos o período. Aplicações: Os GTO’s são uma das poucas opções do projetista para tensões acima de 1000 V e correntes acima de centenas de ampé-res, com limitações de emprego, por trabalhar em baixas freqüências de chaveamento. Fora desta faixa os transistores bipolares, FET ou IGBT são mais utilizados.

O GTO teve seu auge de pesquisas e utilização comercial na década de 70. Exemplo de aplicação: No-break, inversores de freqüência, controladores de motores CC, ... Recentemente os projetistas têm preferido utilizar um grupo de transistores em parale-lo, do que um único GTO. A razão é que o desligamento dos GTO exige um circuito condicionador de sinal, de corrente da mesma ordem de grandeza de IA. Gerar este pulso para GTO’s, com IA da ordem de 1000 A, não é muito comum. DIAC (Diodo de Corrente Alternada): O DIAC é um componente de dois terminais, de baixa potência, basicamente formado por uma associação paralelo-inversa de camadas semicondutoras, possibilitando o disparo nos dois sentidos. A curva característica do dispositivo mostra clara-mente que há uma tensão de avalanche em cada sentido de condução. Esta possibilidade de conduzir em ambos os sentidos, é explorada em aplicações que necessite de corrente alternada para funcionar. Curva Característica: Estrutura em Barras:

+Vo -

+ VI - R1

GTO

PDZ C R2

(I) VBR IBR (V) IBR VBR

Corrente de avalanche

Tensão de avalanche

N1 P1 N2 P2 N3

Ânodo 1

Ânodo2





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Note que não existe terminal de cátodo. Temos um terminal de ânodo 1 (ou eletrodo1) e um terminal de ânodo 2 (ou ele-trodo 2). Quando polarizamos ânodo 1 com tensão positiva em relação ao ânodo 2, as camadas responsáveis pela condução, ou não, da corrente serão: P1, N2, P2, N3. Quando polarizamos ânodo 1 com tensão negativa em relação ao ânodo 2, as camadas responsáveis pela condução, ou não, da corrente serão: P2, N2, P1, N1. Funcionamento do DIAC: O DIAC ao ser polarizado, praticamente não conduz, circuito aberto, deixando passar apenas uma corrente de fuga, qua-se igual a zero, até que a tensão sobre seus terminais, ultrapasse a tensão de avalanche. Deste ponto em diante ele passa a conduzir intensamente (dispara), sua resistência interna cai consideravelmente e a corrente será máxima. Ele se comporta desta forma, para correntes que circulem num e noutro sentido O processo de condução é interrompido, quando a corrente que passa pelo DIAC, fica inferior a um valor mínimo necessário para mantê-lo conduzindo, então ele corta. Cortado o DIAC apresentará resistência quase infinita e só voltará a conduzir, quando houver um novo disparo. A tensão capaz de provocar o disparo do DIAC está na faixa de 20 a 40 V. Símbolos usados para representar o DIAC: * Símbolo mais usado na representação do DIAC. Circuito equivalente ao DIAC: Estudo do funcionamento do DIAC, pela analise do comportamento de seu circuito equivalente, quando submetido a uma polarização por fonte de tensão CC variável. O valor de tensão que a bateria entrega ao circuito, inicialmente é próximo de zero e irá aumentando gradualmente. O circuito do diac deve estar no estado de corte no primeiro instante, mesmo estando o diodo Dz1 polarizado diretamente. A passa-gem de corrente estará interrompida enquanto o diodo Dz2 receber tensão inferior a tensão zener. A carga terá tensão zero sobre seus terminais. Quando a tensão da fonte ultrapassar o valor de tensão do diodo zener 2 (tensão zener) somada a tensão do diodo zener 1 (tensão direta do zener) , fluirá corrente na carga, o diac estará disparado. O diac irá cortar quando a corrente sobre ele, for inferior a um valor mínimo necessário para mantÊ-lo conduzindo (ou disparado).

Anodo 2

Dz 1

Dz 2

Anodo 1

Ânodo 2 Ânodo 1 * a)

Ânodo 2 Ânodo 1 b)

Ânodo 2 Ânodo 1 c)

CARGA Ânodo 2 Bateria Dz 1 c/ tensão Dz2 variável Ânodo 1





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CARGA N R1 TRIAC R2 DIAC C F

Símbolo do componente TRIAC:

Circuito aplicativo para o DIAC: Abaixo temos um circuito que utiliza o DIAC para disparar um outro tiristor de potência, o TRIAC. Este circuito é utiliza-do para variar a luminosidade de lâmpadas, ele é conhecido por Dimer. O DIAC tem a função de tornar mais preciso o pulso de corrente de gate, responsável pelo disparo do TRIAC. Segundo o ajuste de R2, o pulso de corrente de gate acontecerá em um determinador intervalo de tempo após a passagem pelo zero da tensão de entrada, que controlará o tempo de condução do componente TRIAC, que por sua vez alimentará a carga com uma tensão de valor ajustável. TRIAC (TRIode AC swith) O TRIAC é fundamentalmente um diac que recebeu um terminal de porta. Este terminal é usado para controlar as condi-ções de disparo deste componente, que conduz em ambos os sentidos. Em outras palavras, a corrente de porta pode controlar a condução do dispositivo em qualquer sentido, de maneira parecida com à mostrada para o SCR. Curva Característica: Estrutura em Barras:

Anodo 2

Anodo 1 gate

IG4 IG3 IG2 IG1 IG0=0


IA

VAK IG0=0 IG1 IG2 IG3 IG4

VBR | |

VBR

ÂNODO 2 POSITIVO EM RELAÇÃO AO ÂNODO 1

ÂNODO 2 NEGATIVO EM RELAÇÃO AO ÂNODO 1


Ânodo 1

Ânodo2

N1 N 2 P1 N3 P2 N4 N5

gate (porta)

A2 (Ânodo2) A1 (Ânodo1)

G (Gate) (Porta)

Circuito Equivalente:





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VG

VA2A1

I quadrante TRIAC com possibilidade de disparar. (+VA2A1 e +VG)

II quadrante TRIAC com possibilidade de disparar. (-VA2A1 e +VG)

III quadrante TRIAC com possibilidade de disparar. (-VA2A1 e -VG)

IV quadrante TRIAC com possibilidade de disparar. (+VA2A1 e -VG)

Carga R1 R2 P DIAC

TRIAC C2

LDR C1

Métodos de disparar o componente TRIAC: Obs.: o componente TRIAC pode disparar nos quatro quadrantes:

Os métodos utilizados para disparar o TRIAC são semelhantes aos usados para disparar o SCR. A diferença exis-te quanto a polarização. O SCR necessita que o terminal de ânodo e o terminal de gate sejam positivos em relação ao ter-minal de cátodo, para que o disparo possa acontecer. Já o TRIAC trabalha com tensão positiva ou negativa, aplicada entre ânodo 2 e ânodo 1, acontecendo o disparo quando o gate recebe tensão positiva ou negativa, em relação ao terminal de ânodo 1, a polaridade não é importante. Métodos de disparo: 1) Disparo por pulso de gate (tensão aplicada entre o gate e o terminal de ânodo 1): Esta tensão é de valor pequeno , valor próximo de 1 volt, sua polaridade pode ser positiva ou negativa independente da polaridade existente entre A2 e A1. Basta

existir uma diferença de potencial entre os terminais de A2 e A1, o TRIAC estará cortado até que seu gate receba um pulso de corrente, a partir daí, o TRIAC estará conduzindo até que a corrente que passa entre A1 e A2 fique menor que IH. 2) Disparo por sobretensão: Se a tensão aplicada entre os terminais de A2 e A1, de um TRIAC “cortado” , ultrapassar um certo limite, o TRIAC poderá conduzir mesmo sem ter recebido pulso de gate. 3) Disparo por velocidade: Se acontecer uma variação brusca de tensão entre os terminais de A2 e A1, de um TRIAC em corte, pode surgir uma corrente mais intensa de ânodo, provocada por efeito capacitivo das junções sob polarização inversas do TRIAC. Mesmo sem aplicarmos corrente no gate, esta corrente pode ser suficiente para levar o componente ao estado de condução (dispa-ro). 4) Disparo por temperatura: Acontecendo aumento de temperatura sobre as junções inversamente polarizadas, de um TRIAC em estado de corte, deve acontecer um acréscimo da pequena corrente circulante. Se este aumento de corrente for suficiente para pro-vocar o desencadeamento do processo de disparo do TRIAC, o mesmo pode passar a conduzir mesmo sem ter recebido o comando pelo gate. 5) Disparo por radiação: Em TRIAC provido de uma abertura “janela” pode acontecer o disparo por incidência de luz. Esta luz incidente pode provocar um aumento de corrente, que passa pela junção sob polarização inversa, este acréscimo da corrente pode provocar o disparo do componente, mesmo sem a aplicação de um pulso de corrente no terminal de gate. Comutação de Tiristores TRIAC: Comutar um TRIAC que esteja conduzindo, é provocar o bloqueio da corrente que estava circulando por este componente. Para faze-lo conduzir novamente não basta aplicar uma diferença de potencial entre A2 e A1, o gate deve receber um pulso de corrente 1) Comutação Natural: Para um TRIAC em condução, para leva-lo ao corte, basta que a corrente de ânodo tenha valor inferior ao valor da corrente de manutenção (IH) Obs.: Os outros métodos de comutação não funcionam com o TRIAC. Exemplo: Comutação por pulso de gate; comutação por polarização reversa. Aplicações: Circuitos de controle de intensidade luminosa de lâmpadas de filamento; controle de potência de pequenos motores universais (exemplo motor de máquina de costura); controle da potência de estufas; controle de potência de chuveiros elétricos; variador de velocidade de ventiladores; variador de velocidade de furadeiras elétricas; controlador de velocidade de motores de equipamentos eletrodomésticos (liquidificadores, batedeiras); ... Circuito aplicativo para o tiristor TRIAC: controle de iluminação externa, utilizando a luz do sol para controlar o acionamen-to do sistema: Representação Física do TRIAC

A2 A1 A2 G

A2

A1 A2 G





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Exercícios: 1) Desenhe a curva característica do DIAC: 2) Desenhe dois símbolos que podem representar o componente DIAC: 3) Desenhe o circuito equivalente para o componente TRIAC: 4) Cite cinco maneiras, possíveis, de disparar o componente TRIAC: 5) Assinale abaixo, a alternativa correspondente a característica funcional do TRIAC: ( ) a) bloquear quando houver pulso positivo no gate e tensão VA2A1; ( ) b) disparar quando acontecer um pulso negativo na porta; ( ) c) no estado de condução, deixar de conduzir quando for aplicado tensão negativa no gate; ( ) d) no estado de condução, deixar de conduzir quando for aplicado tensão positiva no gate; ( ) e) deixar passar corrente nos dois sentidos sempre que estiver no estado de condução (disparado); 6) Cite quatro aplicações para o componente TRIAC: 7) Desenhe o circuito equivalente ao componente DIAC: 8) Desenhe os gráficos das tensões em função do tempo, correspondentes ao desenho abaixo. Considere que o TRIAC, do circuito abaixo esteja disparando em três situações: a) início dos semiciclos positivo e negativo; b) aos 90 e 270 graus da tensão de entrada e c) ao final dos semiciclos.

CARGA N R1 TRIAC R2 VCA DIAC C F

t t t t t

VCA

VC

VG

VA2A1

V carga





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CEFET-RS Curso de Eletrotécnica Disciplina de Eletrônica Industrial Professor: ............................................................... AVALIAÇÃO PRÁTICA COM CONTROLADOR DE POTÊNCIA COM TRIAC: NOTA:.............. Turma: ............... Data / Hora: ................................... às .....h ....min Dupla de alunos: -1 Aluno(a): ..................................................................................................................................... -2 Aluno(a): ..................................................................................................................................... Introdução: Vamos alimentar o circuito de um dimer, montado com TRIAC, usando uma fonte CA de 60 Volts e observar as formas de ondas encontradas em diversos pontos. A observação será feita com auxílio do osciloscópio. Procedimento: 1) Observando o dispositivo eletrônico no circuito impresso, desenhar o seu diagrama esquemático. Coloque no desenho os valores dos componentes. 2) Ligue a carga (lâmpada de 100W 127V) ao circuito e alimente-o com tensão CA reduzida (60V) ou valor menor. 3) Utilizar o osciloscópio para observar as tensões: no gate; na carga; no capacitor; na entrada do circuito e entre A1 e A2. Ao fazer as medições nestes pontos, varie o valor do potenciômetro e veja o que acontece observando a tela do osciloscópio. 4) Usando os dois canais do osciloscópio, observar as formas de ondas: VCA e VA2A1; Vcarga e VA2A1; VG e VA2A1; VC e VCA. Todas estas formas de ondas devem ser desenhadas usando os eixos abaixo. Os valores máximos e mínimos, de tensão, de-vem vir indicados nos gráficos. O traçado das curvas deve ser feito para três ajustes do potenciômetro segundo o comportamento do tiristor: 1) TRIAC disparando no final do semiciclo positivo e semiciclo negativo (tensão na carga será quase zero); 2) TRIAC disparando aos 90 do semiciclo positivo e 270 do semiciclo negativo (tensão na c arga será média) ; 3) TRIAC disparando no início do semiciclo positivo e início do semiciclo negativo (tensão na carga será máxima). 5) Conclusões: a respeito do circuito; seu funcionamento e dificuldades encontradas. Entregar um relatório correspondente aos itens acima ensaiados. Um relatório por dupla de trabalho.

t t t t t

VCA

VC

VG

VA2A1

V carga





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TRANSISTORES DE UNIJUNÇÃO UJT (Transistor de Unijunção) O transistor de unijunção ( UJT- Unijuncion Transistor), como o próprio nome sugere, é um dispositivo semicondutor de três terminais possuindo apenas uma junção P-N. O UJT é fundamentalmente, um dispositivo de chaveamento (liga ou desliga) com propriedades diferentes em relação aos demais componentes semicondutores. DADOS CONSTRUTIVOS Em uma barra de material tipo N, levemente dopado, é soldado um terminal de alumínio, que é um dopante aceitador. No processo de soldagem a difusão de átomos de alumínio na barra N, faz com que surja uma região do tipo P de dopagem elevada que dará origem ao emissor. Os dois outros terminais colocados nos extremos da barra N, serão chamados de Base 1 e Base 2. Em relação aos terminais de base, a barra N nada mais é que um simples resistor cuja resistência depende das dimensões e da dopagem desta barra, cada UJT possui um valor característico seu, acontecimento normal, visto que estes valores dependem do processo construtivo, que não possui muita precisão. FUNCIONAMENTO DO UJT: O circuito equivalente do UJT, alimentado por duas fontes CC, uma maior fixa e outra menor variável, mostra a resistên-cia entre bases representando simples divisor de tensão, formado por resistências, com o emissor entre as mesmas, as de valor mais significativo são rB1 e rB2 (resistência interna do UJT).

OBS.: Como usualmente as resistências dos resistores de polari-zação das bases 1 e 2, são de valores pequenos, desprezíveis, em relação a resistência interna deste componente, podemos substitu-ir o valor da tensão VB2B1 por VBB.

O diodo de emissor comporta-se como um diodo normal, ou seja, quando polarizado inversamente, flui pelo mesmo ape-nas uma corrente de fuga de baixo valor. Quando polarizado diretamente conduz pequena corrente, até antes de vencer a barreira de potencial (0,7 volts para o silício). Depois de ultrapassar a barreira de potencial, a corrente que flui pelo diodo passa a ser elevada. A resistência rB1 é conhecida por “resistência negativa”. Por “resistência negativa” entende-se, uma resistência que de-cresce de valor à medida que a corrente que a atravessa aumenta. Em resistores convencionais acontece ao contrário, se a corrente aumenta a resistência tende a aumentar. A operação normal do UJT consiste em aumentar VE até que seja atingido o valor da tensão de pico Vp. Neste valor da tensão de emissor, o diodo passa a ficar diretamente polarizado, e é dito então que o UJT foi disparado. A tensão Vp portanto Vale: Vp = Vx + VD OBS.: VD é a queda de tensão do diodo do emissor, com valor aproximadamente igual a 0,7 volts. A partir de VE = Vp, o UJT entra na região que exibe resistência negativa. Com a junção P-N (o diodo do emissor) polari-zado diretamente, a injeção de portadores em ambos os lados da junção. O aumento do número de portadores na região entre o

RB2

B2

D rB2 E X Vx +

VBB -

rB1 + VE B1 - RB1

VX = rB1 . VB2B1 rB1+rB2

Símbolo: Base 2 Emissor Base 1

Representação em barras: Base 2 N Emissor P Base 1

Circuito Equivalente: Base 2 rB2 Emissor D rB1 Base 1





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emissor e a base 1, faz com que rB1 diminua. O decréscimo de rB1 provoca a diminuição de Vx, aumentando a diferença de poten-cial aplicada ao diodo. Isto acarreta aumento da injeção de portadores na junção, aumentando a corrente de emissor. O acréscimo na concentração dos portadores produz uma nova redução no valor de rB1. Este processo é regenerativo e só cessará quando rB1 igualar-se rB1s (resistência de base 1 de saturação), ponto em que o UJT estará na região de vale, (Iv, Vv), a partir deste ponto a corrente de emissor, torna-se uma função aproximadamente linear da tensão e a resistência assume um valor “positivo”. Se a tensão do emissor ficar menor que Vv, o UJT irá cortar, parará de conduzir intensamente. Não conduzir com intensidade, significa aumen-tar a resistência interna. O UJT voltará a região de corte, até que a tensão de emissor VE fique pouca coisa maior que Vp e o ciclo se repita.

A curva do UJT mostra que a partir do vale, a característica do UJT aproxima-se da característica do diodo de emissor em relação a base 1, indicado pela curva onde IB2 = 0 (base 2 em aberto). CURVA CARACTERÍSTICA DO UJT * (letra grega eta) representa a razão intrínseca de equilíbrio, definido por: = rB1 rB1 + rB2 O valor de pode variar entre 0,4 a 0,9 dependendo do tipo do transistor. A razão determina o valor da tensão do ponto de disparo Vp: Vp = VB2B1 + VD = Vx + Vp Vp = VBB + VD ( se R1 e R2 <<RBB) OBS.: RBB = resistência medida entre bases B1 e B2. VD = queda de tensão no sentido direto do diodo de emissor. PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DO UJT: 1) sua tensão de disparo é aproximadamente uma fração fixa da tensão de alimentação, o que permite que um oscilador de relaxa-ção, tenha freqüência de oscilação independente da tensão da fonte; 2) o UJT possui uma região de “resistência negativa” bastante estável, o que sugere o seu uso em osciladores e circuitos de disparo; 3) freqüentemente, o uso do UJT em um circuito que se destine a implantar uma determinada função, reduz à metade o número de componentes que seriam necessários se fosse utilizado um transistor bipolar. Isto implica em simplicidade e maior confiabilidade do circuito; 4) sua resistência interna na condição de “desativado” é relativamente elevada (5K ohms à 10 k ohms); 5) o dispositivo necessita de baixos valores de corrente de disparo: 2 A à 10 A; 6) o UJT tem elevada capacidade de corrente de pulso (2A); 7) são disponíveis à saída B1, tensões de pico relativamente elevadas (3 à 5 Volts), que podem ser usadas no chaveamento de tiristores. Obs.: Tiristores são componentes eletrônicos, utilizados para controlar equipamentos de potência elevada. Por exemplo: grandes motores.

VE Região de corte

Região de resistência negativa

Região de saturação

Vp

Ip Iv

Vv

IE

IB2 =0





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OSCILADOR DE RELAXAÇÃO:

Gráfico das tensões em função do tempo: de emissor, da saída 1 e da saída 2 do circuito desenhado acima: Equações para o dimensionamento do circuito do oscilador de relaxação: Cálculo de RB2:

RB RBBminVcc

RB2 0 4 1 1 , . .

.( ) .

Cálculo do período (T) e Freqüência (f):

R C. . ln 11

fRC

1 11

1 . ln

R1 R R2

Emissor Base 2 Base 1

C

RB2

RB1

VCC

S2

S1

VS2

t

VE

t VS1

t





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Limites a serem observados no momento do dimensionamento do circuito: a) o capacitor utilizado no circuito deverá ter valor menor ou igual a 10 F; b) o circuito deverá ser montado com valores comerciais dos componentes, o mais próximo do calculado; c) o valor de eta fornecido pelo fabricante, não é preciso, logo o circuito montado com base no que foi calculado, pode apresentar pequenas diferenças no funcionamento; d) para aplicações comuns, como osciladores etc, é comum utilizar o resistor RB1 com valor de 22 , dispensando assim seu cál-culo e facilitando o cálculo de RB2; e) é comum no lugar de RB1 introduzirmos um transformador de pulso, com relação de transformação ½ ou 1/1, cuja finalidade seria de isolar eletricamente o circuito, de baixa potência do oscilador, do de alta potência do tiristor, evitando que a fase seja liga-da em comum com a fonte CC ou evitando curto-circuito entre fases. O transformador bloqueia a tensão CC do oscilador, apesar da mesma possuir valor pequeno, evitando que o tiristor funcione, dispare, sem controle. Abaixo temos o circuito do oscilador de relaxação com o sinal de saída retirado de um transformador de pulso .

OBS.: a finalidade do diodo D1 é de proteger o circuito do UJT da força contra eletromotriz gerada pelo primário do transformador de pulso, sempre que a corrente sobre ele for interrompida. O diodo D2 tem a função de bloquear pulsos negativos que surjam no secundário do transformador, evitando queimar o tiristor

Transistor de Unijunção 2N2646 Especificações de limites máximos, à temperatura de 25C: -dissipação de potência .................................. 300 mW -corrente de emissor RMS .............................. 50 mA -corrente de pico de emissor .......................... 2A -tensão inversa de emissor ............................ 30V -tensão entre bases ....................................... 30V -faixa de temperatura de operação ................ -65C à 125C Características do UJT à 25C: Mín. Típ. Máx. para VBB = 10 V 0,56 0,65 0,75 RBB (VBB = 3V , IE = 0) 4,7k 7,1 k 9,1 k

Emissor Base 2

Base 1

C

R1

R2

RB2

VCC

S2

S1

D1

D2





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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE PELOTAS (CEFET-RS) Curso de Eletrotécnica Disciplina de Eletrônica Industrial Professor: Paulo Eduardo Mascarenhas Ugoski AVALIAÇÃO PRÁTICA COM OSCILADOR DE RELAXAÇÃO: NOTA:.............. Turma: ............... Data / Hora: ................................... às .....h ....min Dupla de alunos: -1 Aluno(a): ..................................................................................................................................... -2 Aluno(a): ..................................................................................................................................... Materiais e equipamentos utilizados: -circuito impresso do oscilador; -fonte de tensão contínua; -multímetro; -osciloscópio de dois canais. Procedimento: A prática deve ser feita em duplas. A dupla deve executar os ensaios solicitados, nos itens abaixo e relatar as con-clusões que a dupla chegou, ao cumprir cada um dos itens apresentados. Itens a serem ensaiados e que devem constar no relatório da aula prática: 1) Desenhe o circuito eletrônico do oscilador de relaxação que vocês receberam na chapa de circuito impresso. No desenho devem constar todos os componentes encontrados no circuito, com seus respectivos valores. Anote também o número do circuito recebido. 2) Calcule o período máximo e mínimo do circuito. Determine a faixa de freqüência que o circuito deve operar: 3) Utilizando a fonte CC, ajustada para [X+ (N do circuito)] Volts, alimente o circuito corretamente.





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4) Com o auxílio do osciloscópio verifique as formas de ondas nos seguintes pontos do circuito: emissor; base 1 e base 2 (estas medições devem ser feitas em relação a massa do circuito). a) Anotar período máximo e mínimo, faixa de freqüência, medidos com o osciloscópio. Comparar com os valores já cal-culados. Tirar conclusões. b) Ajustar o circuito para que funcione na freqüência máxima. c) Meça o tempo de carga e descarga do capacitor, anotando na curva de VE os respectivos valores encontrados. (Só para fazer as medições dos valores de tempo, utilize a forma de onda de B1) d) Desenhe a forma de onda de VE e anote na mesma os valores de Vp e Vv. e) Desenhe a forma de onda de VB1 e anote na mesma os valores das tensões mínimas e máximas encontradas. f) Desenhe a forma de onda de VB2 e anote na mesma os valores das tensões, com o UJT no corte e com o UJT conduzin-do ao máximo. g) Variar a tensão da fonte cc de 5 V até no máximo 30 V. Observar se o período da forma de onda se modificou. Caso tenha mudado, qual a modificação ocorrida? Tire conclusões:

OBS.: no item “h)” use as garras do osciloscópio SEMPRE no mesmo ponto, caso este procedimento não seja observado, estaremos correndo altíssimo risco de provocarmos um curto-circuito, que certamente danificará os cabos e até mesmo o osciloscópio.

VE

t

VB1

t

VE

t VB1

t VB2

t

VB2

t





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h) utilizando as duas ponteiras do osciloscópio, comparar as tensões: h1) VE c/ VB1, h2) VE c/ VB2 e h3) VB2 c/ VB1. h1) h2) h3)

VE

t VB1

t

VE

t VB2

t

VB1

t

VB2





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Circuito aplicativo exemplificando o uso do UJT em conjunto com o SCR e outros componentes vistos anteriormente.

Diagrama do circuito eletrônico do regulador de tensão, da excitatriz do campo do gerador (alternador GE 220/380-440 V; 62,5/50 KVA 1800 rpm; 60Hz).

S C R

D 4

D 1

R 1 1

D 2

D 3

R

S

T

T 1

T 2

D 5

D 6

R 1

R 2

R 3

R 4

R 5

R 6

R 7

R 8

R 9

C 2

C 1

C 3

C 4

R 1 0

R 1 2

F 1

C 5

L

N

VALORES DOS COMPONENTES: F1 = 6A R9= 2,5K C1=500 F/25V R1;R2;R3 =10 K R10= 220 C2= 0,22 F/400V R4= 910 R11= 47 C3= 47 F/50V R5= 7,5 K R12= 200 /10W C4= 0,22 F/400V R6= 500 D1,D2 e D3= 1n4007 T1= ASY26 ou AF155 ou AF185 R7= 2,5 K D4 e D6 = SKE 1/08 SCR= TIC126D R8;=5K D5= 1N4747 T2= 2N2646

N R S T Campo do gerador

Excitatriz sem escovas

Enrolamento do estator

L

Enrolamento que recebe tensão do circuito eletrônico.





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Exercícios: 1) Diga em poucas palavras , o que é um UJT? Como ele é constituído? Qual o significado da sigla UJT? 2) Desenhe a estrutura em barra e o circuito equivalente do UJT. Identifique todos os terminais, com os respectivos nomes: 3) Desenhe á curva característica do UJT identificando nesta curva as regiões de: saturação; corte e resistência nega-tiva. Também assinale na curva, os pontos de tensão de pico e tensão de vale: 4) Descreva o princípio de funcionamento do oscilador de relaxação desenhado ao lado: 5) Observando o circuito desenhado ao lado, explique: a) Qual o comportamento do oscilador de relaxação se o resistor R1 abrisse? b) O que aconteceria com o oscilador, se R1 entrasse em curto-circuito? c) Se o capacitor entrasse em curto-circuito, qual o sintoma que o oscilador apresentaria? 6) Escreva cinco características do componente UJT, destacando a correspondente vantagem comparando a outros componentes eletrônicos: 7) Desenhe as formas de onda (tensão x tempo) observa-das no oscilador de relaxação, nos seguintes terminais: emissor (VE); base 1 (VB1) e base 2 ( VB2). OBS.: todas as formas de ondas devem ter em comum o tempo, mesmo que sejam representados em eixos distintos. 8) Desenhe o circuito de um oscilador de relaxação, que funcione sincronizado com a rede CA que o alimenta: 9) Desenhe o circuito de um oscilador de relaxação a UJT, que me entregue em sua saída, um pulso de tensão “negativa”. Identifique no circuito, claramente, onde se localizará esta saída: 10) O circuito desenhado, abaixo, é de um oscilador de relaxação, faça o que se pede:

a) Cite todos componentes, que normalmente NÃO causa-riam modificações consideráveis, na freqüência de opera-ção do circuito, quando tivessem seus valores alterados por um motivo ou outro: b) Qual a função do componente D1 no circuito acima: c) Se o diodo D2 abrisse, o que poderia acontecer com o circuito? d) Se o capacitor, do circuito, entrasse em curto-circuito. Qual seria o comportamento do oscilador ? e) Tenho um oscilador de relaxação que trabalha em uma determinada faixa de freqüência. Nesta faixa de fre-qüência encontramos valores máximos e mínimos. Qual seria a alteração aceitável, nos valores dos componentes, para se conseguir que os valores das freqüências, mínima e máxima, tenham os valores iguais a 1/4 dos valores originais?

+

-

R1

R2

C

Ra

Rb

VBB

VE

tVB1

tVB2

t

R1

P1

RB2

+

_

C

Vcc D1

D2

UJT

T1





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11) Observe o circuito desenhado abaixo. Este circuito é de um regulador de tensão de um gerador síncrono. Diga as funções que os componentes executam, no circuito abaixo, conforme a lista a seguir: a) diodo D5; b) diodo D4; c) transistor T1 e d) transistor

T2. .

S C R

D 4

D 1

R 1 1

D 2

D 3

R

S

T

T 1

T 2

D 5

D 6

R 1

R 2

R 3

R 4

R 5

R 6

R 7

R 8

R 9

C 2

C 1

C 3

C 4

R 1 0

R 1 2

F 1

C 5

L

N

PUT Transistor de Unijunção Programável O PUT é um componente de 4 camadas, da família dos tiristores, com características semelhantes ao SCR. O PUT difere do SCR, na posição do terminal de gate, no SCR o gate é colocado no material tipo P mais próximo do cátodo, no PUT o gate fica colocado no material tipo N mais próximo do ânodo. Tendo características parecidas com o SCR, mesmo assim o PUT é chamado de transistor de unijunção, pois o mesmo é utilizado em circuitos onde poderiam ser usados UJT convencionais. O PUT possui características semelhantes ao UJT, com a vantagem de ser mais rápido, mais sensível e possuir a tensão de disparo programável, podendo a mesma ser estabelecida pela escolha de um divisor resistivo adequado. Estrutura em Barras do PUT Símbolo do PUT Circuito Equivalente ao PUT Princípio de funcionamento O PUT trabalha como um transistor de Unijunção, desde que exista um circuito externo de polarização, que estabeleça a tensão de disparo Vp. A figura abaixo mostra o divisor resistivo de tensão, responsável pelo estabelecimento da tensão de disparo e o seu circuito Thevenin equivalente.

Divisor resistivo Circuito equivalente

Expressões para este circuito:

21

21

BB

BBG RR

RRR

VS=VBB

21

1

BB

B

RRR

anodo

catodo

gateT1

T2

carga

RB2

RB1 V

A G k

VBB

carga RG

V

A G k

VS

P

P N

N

ânodo

cátodo

gate


G (Gate) (Porta)





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Baseado no circuito equivalente do PUT, considerando todas as tensões em relação a massa, observe que se VG > VA, T1 estará em estado de corte, o mesmo acontecendo com T2. Conseqüentemente a corrente que flui pelo gate deve ser muito pequena e em G a tensão é praticamente VS. Para T1 conduzir se faz necessário que a junção base e emissor seja polarizado diretamente. Para que isto aconteça temos:

DGA VVV Como VSVG

DBB

BBBA V

RRRVV

21

1

Quando VA iguala-se a VP, definido na equação acima, será estabelecido o processo regenerativo que manterá T1 e T2 saturados, o terminal de gate deixa de proporcionar o controle do PUT. Para que o mesmo retorne ao estado de bloqueio, é necessá-rio que a corrente de ânodo caia abaixo de IV, aqui análoga a corrente de manutenção. O PUT é considerado programável por pos-sibilitar a fixação do valor de eta () externamente. Curva Característica de um PUT: Cálculo do período e freqüência para o oscilador de relaxação construído com o PUT.

1

1lnTT CRT

21

11

1ln

BB

BTT

RRR

CRT

2

21lnB

BB

RRRRTCTT

2

11lnB

BTT R

RCRT

A freqüência de oscilação será:

2

11ln

1

B

BTT R

RCRf

OBS.: Pela observação da figura ao lado percebe-se que a característica de um PUT é semelhante a de um UJT.

R T

R B2

R B1 C T

A G PU T k R S

V B B

VA VP VV

IP IV IA

Por analogia definiremos :

21

1

BB

B

RRR

Resultando:

PDBBA VVVV





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Circuito aplicativo de um PUT, funcionando como um oscilador de relaxação, pronto para controlar o disparo de um SCR. Controle de fase de tiristores, empregando o Circuito Integrado TCA785 O circuito integrado TCA785 da Siemens é projetado para efetuar o controle de componentes eletrônicos de potência tais como: SCR’s, Triac’s e Transistores. O controle é feito através de pulsos que podem ser deslocados de 0 a 180 graus, com tempo de duração ajustável, garantindo uma faixa de controle total em circuitos em CA. Aplicações: conversores CA CC, controles de potência CA, controle de potência trifásicos, inversores, ... O CI TCA785 é fornecido em invólucro DIP de 16 pinos e possui as seguintes características: - Circuito de reconhecimento de passagem por zero; - Pode ser usado como chave de passagem por zero; - Opera em circuitos trifásicos (uso de 3 CI’s); - Fornece corrente de saída de até 250 mA; - Possui uma ampla faixa de corrente de rampa; - Opera numa ampla faixa de temperatura; - Oferece boa estabilidade ao controle de potência. Pinagem: Circuito interno:

Funcionamento: O diagrama de blocos é mostrado na figura 2 ao lado.

O TCA 785 recebe um sinal de sincronização por meio de um resistor de elevado valor , obtido da rede CA de alimentação, por meio de um resistor de elevado valor (Rsync). Um detetor de passagem por zero transfere esse sinal para um registrador, o capacitor C10 se carrega com uma corrente constante determinada por R9. Se a tensão da rampa V10 execede a tensão de controle V11, um sinal é processado pela lógica interna. Dependendo da tensão de controle V11, o ângulo de disparo pode ser deslocado numa faixa de 0 a 180.

Para cada meio ciclo, um pulso positivo de aproximadamente 30s de duração aparece nas saídas Q1 e Q2. A duração do pulso pode ser prolongada até 180 por meio do capacitor C12. Se o pino 12 for conectado a terra, teremos pulsos com duração entre o ângulo de disparo e 180.

RTRB2

RB1CT

A G

PUTk

VBB VCA

CARGA

SCR

Figura 1





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As saídas Q1 e Q2 fornecem pulsos invertidos em relação a Q1 e Q2. Um sinal com ângulo de disparo mais 180, que pode ser usado para controle de lógica, é disponível no pino 3.

Um sinal que corresponde ao link NOR entre Q1 e Q2 é disponível na saída Qz que corresponde ao pino 7. A entrada de inibição (pino 6) pode ser usada para desabilitar as saídas Q1 e Q2, assim como as complementa-

res. O pino 13 pode ser usado para estender os pulsos das saídas Q1 e Q2 para um pulso completo cujo comprimen-

to é a diferença entre 180 e o ângulo de disparo. Na figura 3, temos o diagrama de pulsos obtidos nos diversos blocos e saídas deste circuito integrado.

Na tabela 1, temos os valores máximos absolutos do TCA 785. A faixa de operação é dada na tabela 2.

Exemplo de circuitos práticos de aplicação do TCA 785, controlando alguns tiristores:

a) Dimer controlado pelo TCA tendo o TRIAC em sua etapa de potência.





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b) Controle de onda completa para dois SCR de alta potência. Os SCR estão ligados na configuração antipara-

lela de forma que seja aproveitada a tensão da rede de maneira integral, ciclo completo.

c) Circuito de controle de potência em fase única usando retificação em ponte semicontrolada e transformador

de pulso.





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Tiristor Controlado por MOSFET – MCT É um novo tipo de dispositivo semicondutor de potência que associa as capacidades de densidade de corrente e de blo-queio de tensão típicas dos tiristores, com um controle de disparo e de comutação baseados em dispositivos MOS. Enquanto o GTO tem o gate controlado em corrente , o MCT funciona comandado por tensão. Existe MCT que pode funcionar com correntes de 600 A e 2000 V (dados de 1996). Princípio de funcionamento

Em um MCT de canal P (P-MCT) o MOSFET responsável pela entrada em condução do tiristor (on-FET) é também de canal P, sendo levado à condução pela aplicação de uma tensão negativa no terminal de gate.

Estando o ânodo positivo, a condução do on-FET realiza uma injeção de portadores na base do transistor NPN, levando o componente à condução.

Uma vez que o componente é formado pela associação de dezenas de milhares de células, e como todas elas entram em condução simultaneamente, o MCT possui excelente capacidade de suportar elevado di/dt. O MCT permanecerá em condução até que a corrente de ânodo caia abaixo do valor da corrente de manutenção (como qualquer tiristor), ou então até que seja ativado o off-FET, o que se faz pela aplicação de uma tensão positiva no gate. A condução do off-FET, ao curto-circuitar a junção base-emissor do transistor PNP (é possível também uma estrutura que curto-circuita as junções base-emissor de ambos os transistores), reduz o ganho de corrente para um valor menor do que 1, levando ao bloqueio do MCT. A queda de tensão deve ser menor que Vbe. Esta capacidade de desligamento está associada a uma intensa in-terdigitação entre o off-FET e as junções, permitindo absorver portadores de toda superfície condutora do ânodo (e do cátodo).

Assim como um GTO assimétrico, o MCT não bloqueia tensão reversa acima de poucas dezenas de volts, uma vez que as camadas n+ ligadas ao ânodo curto-circuitam a junção J1, e a junção J3, por estar associada a regiões de dopagem elevada, não têm capacidade de sustentar tensões mais altas. É possível, no entanto, fazê-los com bloqueio simétrico, também sacrificando a velocidade de chaveamento.

O sinal de gate deve ser mantido, tanto no estado ligado quanto no desligado, a fim de evitar comutações (por "latch-down" ou por dv/dt) indesejáveis.

O gate necessita de baixíssimas correntes de comando, visto que seu gate funciona feito minúsculo capacitor, drenando corrente muito pequena, ao se carregar. Comparação entre P-MCT e N-MCT

É possível construir MCTs que são ligados por um MOSFET de canal N, e desligado por um MOSFET de canal P, como mostrado nas figuras acima (N-MCT). Este componente entra em condução quando um potencial positivo é aplicado ao gate, desligando com uma tensão negativa. Como o ânodo está em contato apenas com uma camada P, este dispositivo é capaz de sus-tentar tensões com polarização reversa.Sabe-se que um MOSFET canal N é mais rápido e apresenta menor queda de tensão do que um MOSFET canal P.

Assim, um P-MCT, por ser desligado por um MOSFET canal N é capaz de comutar uma corrente de ânodo 2 a 3 vezes maior do que a que se obtém em um N-MCT. Em contraposição, por ser ligado por um MOSFET canal P, a entrada em condução é mais lenta do que a que se tem em um N-MCT. A queda no MOSFET deve ser menor que 0,7V, para garantir que o TBP não con-duza. Esta queda de tensão se dá com a passagem da totalidade da corrente de ânodo pelo MOSFET. Símbolos:

A

K

G

MCT de canal P (P-MCT)

on-FET

off-FET

A

K

G

MCT de canal N (N-MCT)

on-FET off-FET

A G K

MCT de canal N MCT de canal P

A G K





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Gráfico de: tensão; corrente e freqüência, mostrando a faixa de atuação de uns com-ponentes eletrônicos semicondutores de potência:





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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE PELOTAS RS Coordenadoria de Eletrotécnica Disciplina de Eletrônica Industrial EXERCÍCIOS: 1) Descreva o componente GTO, falando do seu funcionamento: 2) Vamos supor que um GTO esteja conduzindo, entre que valores de tensão eu poderia encontrar o seu VAK? 3) O GTO é um componente elaborado para controlar elevadas potências. Qual o limite, aproximado, de tensão e corrente máxima que este componente consegue suportar? 4) Que faixa de freqüência o GTO consegue trabalhar? 5) Cite três aplicações para o GTO: 6) O GTO ainda é utilizado na atualidade, aos poucos vem perdendo “terreno” para os: BJT, Hexfet e IGBT. Qual o motivo desta perda? 7) Comparando os componentes de potência estudados até aqui (SCR, TRIAC, GTO, BJT, HEXFET e IGBT). Responda os se-guintes itens listados abaixo: a) Quais destes componentes pode trabalhar com potência mais alta? b) Destes componentes qual trabalha com potência mais baixa (por volta de 2000W)? c) Qual o componente que funciona com freqüência de chaveamento superior a 50 k Hz ? d) Liste os componentes que apresentam custo mais baixo que os demais: e) Liste os componentes que apresentam custo mais elevado que os demais: f) Liste os componentes que necessitam de circuitos externos de desligamento: g) Cite os componentes que possuem comando por pulso de corrente: h) Cite os componentes que possuem comando por pulso de tensão: 8) O que significa a sigla PUT? 9) Desenhe o símbolo do PUT: 10) Desenhe o símbolo o circuito equivalente do PUT: 11) Descreva o princípio de funcionamento do oscilador ao lado.Calcule a freqüência de oscilação: Dados: RB2= 2,2 k; RB1= 1,8 k; RT=75 k ; CT= 0,022F e RS= 100. 12) Descreva detalhadamente o funcionamento do circuito desenhado abaixo: a)

A G

PU T

saídaRS

RTRB2

RB1CT

VBB

k

+Vo -

+ VI - R1

GTO

PDZ C R2





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COMPONENTES FOTOEMISSORES E FOTOSSENSORES Os dispositivos optoeletrônicos são divididos em dois grupos básicos. Classificam em dispositivos sensíveis à luz e dis-positivos emissores de luz. Os mais importantes componentes em ambas as categorias serão por nós estudados. A necessidade de conhecermos os dispositivos optoeletrônicos esta crescendo em importância, uma vez que eles estão sendo cada vez mais usados e, novas aplicações são constantemente encontradas, na indústria, no comércio, no lar, no automóvel, na informática,... Características Principais da Luz: O termo luz é usado para designar radiações eletromagnéticas em parte visíveis ao olho humano. Basicamente a luz é um tipo de radiação eletromagnética e difere de outros tipos como raios cósmicos, raios gama, raios x e ondas de rádio, apenas quanto à freqüência. O espectro, ou seja a faixa de freqüência, ocupada pela luz estende-se de 300 giga hertz (300 x 109 hertz) até 300.000.000 giga hertz (300 x 1015 hertz). Acima da região de raios x estão os raios gama e os raios cósmicos. | | | | | | | | | | | | | 2000 3000 4000 6000 5000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 (A ) 1,5x106 1,0x106 7,5x105 6,0x105 5,0x105 4,3x105 3,8x105 3,3x105 3,0x105 2,7x105 2,5x105 2,3x105 2,1x105

| | ULTRAVIOLETA CORES VISÍVEIS PARA O SER HUMANO INFRAVERMELHO

vf

= comprimento de onda em metros OBS.: 1 A = 10-10 m V= velocidade da luz 3x108 m/s f = freqüência Hertz CÉLULAS FOTOCONDUTIVAS (LDR) A célula fotocondutiva é um dos mais antigos componentes sensores optoeletrônicos. Basicamente não passa de um resis-tor sensível a luz, conhecido por LDR (Resistência Dependente da Luz), cuja resistência interna varia quando a luz que o atinge é alterada em intensidade. A variação da resistência não é linear pois varia em proporções diferentes da luz incidente.

Materiais utilizados na construção destas células: As células fotocondutivas são geralmente feitas de materiais sensíveis à luz, como sulfato de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe), embora outros materiais, como sulfato de chumbo e telureto de chumbo, também sejam usados. Estes materiais básicos podem ainda ser dopados com outros, como cobre ou cloro, para controlar a exata maneira em que a resistência do disposi-tivo variará com a intensidade da luz. As células fotocondutivas são mais sensíveis à luz do que outros tipos de dispositivos fotossensíveis. A resistência de uma célula típica pode ser tão alta como algumas centenas de Mega ohms, quando a luz que atinge sua superfície (iluminação) é zero (completa escuridão), e tão baixa como algumas centenas de ohms, quando a iluminação é superior a 100 lux (aproximadamente 9 pés candela ou 100 lumem por metro quadrado). Isto representa uma tremenda mudança na resistência para uma variação relativa-mente pequena de iluminação. Esta extrema sensibilidade torna a célula fotocondutiva adequada a aplicações onde as variações na intensidade luminosa são pequenas. Desvantagem: Ela responde lentamente as variações na iluminação. Tensão de alimentação: A maioria das células fotocondutivas é capaz de suportar tensões de operação relativamente altas. Dispositivos típicos deverão ter valores máximos de tensão de 100, 200, ou 300 volts contínuos. Consumo máximo: Potência máxima de 30 mW a 300 mW são típicas.

SIMBOLOGIA:

ESTRUTURA FÍSICA DO LDR:

M ATERIAL SENSÍVEL À LU Z

TERM INAIS





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Aplicações: sensor que monitora a existência ou não de chama em um queimador de uma caldeira; sensor de luminosidade ambi-ente, que fornece informações a um circuito que controlará a intensidade da luz artificial; relê fotoelétrico que aciona a iluminação externa sempre que o sol se põe e etc.. Exemplo de aplicação do LDR: Circuito de um rele fotoelétrico.

RELÉ

LDR

LÂMPADANF

NA

F NREDE CA220V

Funcionamento do circuito: A luz incidente sobre o LDR faz com que sua resistência diminua e acione o relê, o relê ao acionar abre o contato NF e fecha o contato NA, a lâmpada é desligada. A ausência de luz incidente sobre o LDR, faz com que sua resistência aumente, desa-cionando o relê. O relê desacionado, o contato NA abre e o contato NF fecha, permitindo a energização da lâmpada. CÉLULAS FOTOVOLTAICAS A célula fotovoltaica é um dispositivo que converte diretamente energia luminosa em elétrica. Quando exposta à luz ela gera uma tensão entre seus terminais, esta tensão aumenta quando a luz cresce em intensidade. A célula fotovoltaica foi usada por muitos anos em várias aplicações militares e espaciais. É comumente empregada a bordo de satélites, aeronaves, centrais telefôni-cas desprovidas de rede elétrica, bóias navais de sinalização, ... Converte energia solar em elétrica que pode ser usada para operar vários tipos de equipamentos elétricos e eletrônicos. Este dispositivo é normalmente chamado de célula solar. A célula fotovoltaica é basicamente um dispositivo feito de materiais semicondutores, usualmente o silício e o selênio. Nos últimos anos tem havido um interesse crescente pela célula solar como fonte alternativa de energia. Porém, se consi-derarmos que a densidade de energia recebida do sol ao nível do mar é em torno de 100 m W/ cm 2 ( 1 kW/m2 ), veremos que cer-tamente é uma fonte de energia que ainda requer pesquisa e desenvolvimento, a fim de maximizar a eficiência de conversão de energia solar para elétrica. A geração de tensão, na célula fotovoltaica, depende da incidência de fótons (partículas de luz) na superfície da célula. Nem todos os fótons que atingem a célula fotovoltaica criam pares elétron-lacuna e muitos dos elétrons e lacunas que separam-se para formar pares, eventualmente se recombinam. A célula é, portanto um dispositivo altamente ineficiente com relação à conver-são da energia luminosa em energia elétrica. Comparando a potência de saída com a potência de total contida na energia luminosa da entrada, a maioria das células apresenta eficiência que varia de 3% até no "máximo" 15%. Esses dispositivos geralmente requerem altos níveis de luz para fornecer potência de saída útil. A 2000 pés-candelas, a tensão média de saída em circuito aberto (sem carga) de uma célula comum é aproximadamente 0,45 volts, Quando carregada, uma célula típica pode fornecer 50 mA a 60 mA de corrente de saída à carga. Entretanto, conectando-se um grande número de células em série ou paralelo, qualquer valor desejado de tensão ou corrente poderá ser obtido.

CAMADAP

ANEL METÁLICO

PN

SUPORTE METÁLICOTERMINAIS

ANEL METÁLICO

ESTRUTURA SÍMBOLO

ENTRADA DELUZ





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DIODOS EMISSORES DE LUZ (LED) Os LEDs são dispositivos semicondutores que produzem luz quando submetidos a uma corrente ou tensão externa, ou seja, simplesmente convertem energia elétrica em energia luminosa. É um componente de estado sólido, e é fisicamente mais forte que as lâmpadas encapsuladas em vidro ( incandescentes, neons,...). Como todos os dispositivos semicondutores, apresenta uma expectativa de vida ilimitada. Um diodo de junção pode emitir luz em resposta a uma corrente elétrica. Nesse caso, a energia luminosa é produzida de-vido aos elétrons lacunas forçados a se recombinarem. Quando um elétron e lacuna se recombinam pode ser liberado energia na forma de fótons. A freqüência (ou comprimento de onda) dos fótons emitidos dessa maneira é determinada pelo tipo de material semicondutor empregado na construção do diodo. * Porque os LEDs emitem luz e os diodos comuns não o fazem? Isto se explica simplesmente pelo fato da maioria dos diodos comuns serem feitos de silício e este é um material opaco ou impenetrável à energia luminosa envolvida. Qualquer fóton produzido em um diodo comum, simplesmente não escapa do seu inte-rior. Os LEDs são feitos de material semicondutor transparentes à energia luminosa. Em conseqüência, em um LED parte da ener-gia luminosa produzida pode escapar do dispositivo. Construção do LED: Muitos LEDs são feitos de arseneto de gálio (Ga As). Os LEDs feitos desse material emitem luz mais eficientemente no comprimento de onda próximo a 9000 angstrons (9000x10-10 m), que situa-se na região infravermelha do espectro da luz e não é visível ao olho humano. Outros materiais também são usados tal como o fosfeto arseneto de gálio (Ga As P) , que emite uma luz vermelha visível a aproximadamente 6600 angstrons (6600x10-10 m) e o fosfeto de gálio (Ga P) que produz uma luz visível verde em mais ou menos 5600 angstrons. O dispositivo de Ga As P oferece ainda uma gama relativamente extensa de possíveis compri-mentos de onda de saída, pelo ajuste da quantidade de fosfeto nele presente. Variando-se a quantidade de fosfeto, o LED pode emitir luz em qualquer comprimento de onda de 5600 à 9100 angstrons. Construção Básica: Uma típica cápsula de LED: Símbolo do LED: Gráfico mostrando intensidade relativa x comprimento de onda para LEDs de diversas cores Obs.: 1 A0 = 10-10 m

contato de alumínio camada

isolante

substrato Ga

Ga As P P

N

raios de luz

contato de ouro

contato de alumínio

camada iso-lante

substrato GaAS contato de ouro

GaASP

5000 5500 6000 6500 7000 7500 (A0 ) 0,0

0,5

1,0

GaAsP verme-lho

vermelho de alta eficiência

amarelo verde (intensidade relativa)

terminal de cátodo

Fio condutor

terminal de ânodo

chanfro

pastilha semicon-dutora do LED

lente plás-tica

cátodo

ânodo





28/02/08 13:42 42

fonte de luz

+

P

N

janela metálica

base metálica

N I

Dependendo de cada tipo de LED temos as seguintes características de alimentação: - tensão direta típica de 1,5 V até LEDs com tensão de 2,5 V. - corrente direta média de 10 mA até 50 mA. - tensão de ruptura inversa de 3 V até 5V. Gráfico tensão x corrente de um LED típico: FOTODIODO O fotodiodo é um dispositivo sensível a luz que utiliza uma única junção PN. É constituído de forma similar à célula fotovoltaica. Pode fornecer energia elétrica quando iluminado ou pode variar a corrente que passa por ele (polarização reversa) comandado pela luz. Material utilizado na construção: silício. Representação em barras de fotodiodos: OBS.: I material intrínseco possui resistência muito alta (uma baixa condutividade) porque possui algumas impurezas. O acréscimo da camada I resulta numa região de depleção muito maior para uma certa tensão de polarização reversa. A região de depleção mais extensa faz o fotodiodo PIN responder melhor as freqüências menores (fótons penetram mais fundo) e maiores (por possuir menor capacitância, dielétrico maior). Curva tensão reversa x fotocorrente x potência radiante (luz) SÍMBOLOS:

0,5 1,0 1,5 2,0 V tensão direta

(corrente direta) I(mA)

5101520

catodo

anodo anodo

catodo

janela metálica

fonte de luz

+

P

N

base metálica

Tipo PN

70 60 50 40 30 20 10

5 10 15 20 25 30 tensão reversa (volts)

fotocorrente (A)

50 W

100 W

150 W

200 W potência radi-ante

+

R

CÁPSULA DE UM FOTODIODO:

Exemplo de polarização de um fotodiodo:





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FOTOTRANSISTOR: O fototransistor é também um dispositivo de junção PN. Porém ele apresenta duas junções ao invés de uma. Construção: (estrutura em barras) Circuito equivalente: Símbolo do fototransistor:

Uma diferença importante entre o fototransistor e o fotodiodo, está na quantidade de corrente que cada dispositivo pode controlar. O fototransistor pode conduzir muito mais corrente de saída que o fotodiodo, para uma certa intensidade luminosa, de-vido à capacidade de amplificação do fototransistor. O fototransistor não possui uma resposta muito rápida para mudanças de intensidade de luz e portanto não é adequado a aplicações onde uma resposta muito mais rápida seja exigida. OPTO-ISOLADORES (Fotoacopladores) O opto-isolador é uma unidade que contém um LED infravermelho e um fotodetetor tal como um diodo de silício, um par Darlington de transistor, ou um SCR. As respostas a comprimentos de onda dos dispositivos são feitas o mais parecido possível para se obter a máxima medida de acoplamento.

5 10 15 20 25 30 tensão de coletor (volts)

5

4

3

2

1

1 m W/cm2

2 m W/cm2

3 m W/cm2

4 m W/cm2

C

E

B

N P

N

emissor

base

coletor

luz

ISO - LIT 1

Curva característica Vc x IC corrente de coletor (mA)

1 2 3

6 5 4

coletor

base

emissor

tensão de polarização





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Exemplo de aplicação de fotoacopladores:

Relés de estado sólido: Relés de estado sólido são aqueles construídos com base em componentes semicondutores, e le-vam esse nome por não possuírem partes móveis, e normalmente possuem o seu interior totalmente preenchido. Diagrama eletrônico:

Forma Física de um relé de estado sólido:





28/02/08 13:42 45

EXERCÍCIOS: 1) Qual o significado da sigla LDR? 2) Qual o comportamento do LDR com relação as variações da intensidade luminosa? 3) Qual a desvantagem que o LDR apresenta? 4) Cite três aplicações para o LDR: 5) Descreva o funcionamento do circuito desenhado abaixo:

RELÉ

LDR

LÂMPADANF

NA

F NREDE CA220V

6) O que é uma célula fotovoltaica? 7) Desenhe o símbolo de uma célula fotovoltaica: 8) Cite três aplicações para as células fotovoltaicas: 9) O que é um LED? 10) Porque os LED’s emitem luz e os diodos comuns não o fazem? 11) Desenhe o símbolo do LED: 12) Todos os LED’s são iguais? Caso a resposta seja afirmativa. Que diferenças uns apresentam em relação aos outros? 13) O que é um fotodiodo? 14) Desenhe o símbolo do fotodiodo: Referências Bibliográficas: GMBH, Dr. Fritz Martin & Co. KG. SEMIKRON Semicondutores de Potência ‘90. Carapicuiba, SEMIKRON, 1990. ALMEIDA, Engenheiro José Luiz Antunes de. Eletrônica Industrial. BOYLESTAD, Robert. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Editora Prentice Hall do Brasil. Rio de Janeiro, 1994. MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. Volume I, 4ª edição. Pearson Education do Brasil. São Paulo, 1997.




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Apostila Eletrônica III