Eletrônica Industrial e de Potência
EDILSON LIMA
A Eletrônica Industrial ou Eletrônica de Potência, serve como um “ELO” de ligação entre as seguintes áreas :
* Eletrônica digital ou analógica : microcomputadores, circuitos de disparo, etc.;
* Eletrotécnica : máquinas elétricas, iluminação, cargas industriais em geral;
* Controle automático : servomecanismos, sensores, transdutores.
Através dos semicondutores de potência associados à circuitos eletrônicos, pode-se acionar e controlar diversos tipos de cargas industriais.
À Eletrônica de potência cabe fornecer a faixa necessária de variação de frequência, para os sinais do circuito de disparo. Assim como, proporcionar técnicas adequadas para o projeto de pontes de potência.
INTRODUÇÃO
A função da eletrônica industrial e de potência é controlar o fluxo de potência, processando a energia das fontes de alimentação disponíveis (rede elétrica, geradores ou baterias) através de dispositivos semicondutores de potência, para alimentar as cargas..
A Importância da eletrônica de potência pode ser observada através de uma lista onde aparecem algumas de suas aplicações:
Residencial e comercial: iluminação – reatores eletrônicos; computadores pessoais;
equipamentos eletrônicos de entretenimento; elevadores; sistemas ininterruptos de energia (“nobreak”);equipamentos de escritório.
Industrial: acionamento de bombas, compressores, ventiladores, máquinas ferramenta e outros motores; iluminação; aquecimento indutivo; soldagem.
Sistemas Elétricos: transmissão em altas tensões CC; fontes de energia alternativa (vento, solar, etc.); armazenamento de energia.
Aeroespaciais: sistema de alimentação de satélites; sistema de alimentação de naves;
Telecomunicações: carregadores de baterias; fontes de alimentação CC; sistemas ininterruptos
de energia (UPS).
Transporte: veículos elétricos; carga de baterias; locomotivas; metrô.
Diodo
O diodo é um semicondutor não controlável, pois o seu estado, conduzido ou bloqueado é determinado pela tensão ou pela corrente do circuito onde ele esta conectado, e não por qualquer ação que possamos tomar. O diodo entra em condução quando a tensão vak torna-se positiva. Ele permanece em condução desde que a corrente iD, que é governada pelo circuito onde o diodo estiver inserido, for positiva. Quando a corrente torna-se negativa o diodo bloqueia-se comportando-se como circuito aberto.
Principais tipos de diodo:
Retificadores: São os diodos mais comuns, fabricados com o objetivo primordial de permitirem a passagem da
corrente elétrica em um só sentido (polarização direta), cumprindo um papel indispensável na transformação de corrente alternada em corrente contínua. Possuem vários
tamanhos e formatos, de acordo com a sua potência nominal.
Zener: São diodos fabricados para conduzir a corrente elétrica em sentido inverso (polarização inversa). Este efeito é chamado de
"ruptura zener" e ocorre em um valor de tensão bastante preciso, permitindo que esse diodo seja utilizado com uma referência de
tensão. São bastante empregados em circuitos reguladores de tensão em fontes de alimentação.
Varicaps: Todo diodo possui uma capacitância interna
formada por suas duas regiões condutoras (tipo-p e tipo-n), as quais são separadas por uma região livre de cargas (região de depleção).
A extensão dessa região de depleção depende da polarização do diodo: ela diminui quando o mesmo é polarizado diretamente e vice- versa. Com a variação das dimensões da região de depleção, varia- se a capacitância interna do diodo. Os varicaps são fabricados para aproveitarem essa característica, funcionando como capacitores
variáveis, cuja capacitância é controlada pela tensão aplicada sobre o diodo. Tais componentes são bastante empregados em circuitos de sintonia de aparelhos televisores e de rádios, além de
equipamentos transmissores.
Túnel: São dispositivos capazes de operar em altas frequências (micro-ondas), por meio de
fenômenos de mecânica quântica (efeito de
tunelamento). São fabricados utilizando junções PN
estreitas e altamente dopadas. Podem ser utilizados
em circuitos osciladores, amplificadores e conversores
de frequência.
LEDs: São diodos semicondutores que, quando
energizados, emitem luz. A luz não é monocromática (como em um laser), mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita, sendo produzida pelas interações energéticas dos
elétrons. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte de energia elétrica é chamado eletroluminescência. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida. Já em outros materiais, como o arseneto de gálio (GaAs) ou o fosfeto de gálio (GaP), o número de fótons de luz emitidos é suficiente para constituir fontes de luz bastante eficientes.
Diodos de Potência
Tiristores
O tiristor é um dispositivo semicondutor similar a um diodo, com um terminal extra que é usado para ligá-lo. É usado na
eletrônica de potência.
Um tiristor é funcionalmente diferente de um diodo porque mesmo quando o dispositivo está diretamente polarizado ele não irá conduzir enquanto não ocorrer um pulso na porta. Ao invés de precisar de algo continuamente na porta (como nos TBJs e
MOSFETs), os tiristores são ligados por um sinal pulsado. Para os SCRs, o sinal de controle é um pulso de corrente, tiristores DB-
GTO usam um pulso de tensão e os LASCRs um pulso de luz.
Uma vez ligado, o tiristor continua ligado enquanto o dispositivo estiver diretamente polarizado. O SCRs é apenas um tipo de
tiristor, mas devido ao seu disseminado uso na indústria, muitas vezes os termos tiristor e SCR são confundidos
SCR (Retificador controlado de silício)
Características Básicas do SCR
Análogo a um diodo com um 3º terminal (gatilho)
Para conduzir, além de estar polarizado diretamente,
deve receber um pulso de corrente no gatilho
Características Básicas do SCR
São chaves estáticas bi-estáveis, ou seja, trabalham em dois estados: não condução e condução, com a possibilidade de controle.
Em muitas aplicações podem ser considerados chaves ideais, mas há limitações a serem consideradas na prática.
São compostos por 4 camadas semicondutoras (P-N-P-
N), três junções (P-N).
Características Básicas do SCR
Apresentam alta velocidade de comutação e elevada vida útil;
Possuem resistência elétrica variável com a
temperatura, portanto, dependem da potência que
estiverem conduzindo;
Aplicações do SCR
Controles de relés e motores;
Fontes de tensão reguladas;
Choppers (variadores de tensão CC);
Inversores CC-CA;
Cicloconversores (variadores de frequência);
Carregadores de bateria;
Controles de iluminação
Teoria de Circuitos Comutados
Eletrônica de Potência trata do processamento de energia. Sendo a eficiência uma das características importante nesse processamento. A diferença entre a energia que entra no sistema e a que sai geralmente é transformada em calor. Mesmo que, o custo da energia desperdiçada gere preocupação, a remoção dessa energia cria transtornos tanto durante o projeto quanto na sua utilização. Atualmente conversores estáticos utilizados para transformar a energia elétrica de uma forma para outra, apresentam eficiência entre 85% e 99% dependendo da aplicação da faixa de potência.
Essa eficiência elevada é obtida utilizando semicondutores de potência, que apresentam uma queda de tensão próxima de zero quando em condução, e uma corrente praticamente nula quando em bloqueado.
RETIFICADORES
Introdução
Na maior parte das aplicações em eletrônica de potência, a entrada de energia tem a forma de uma tensão alternada senoidal em 60 Hz, proveniente da rede, que é convertida em tensão contínua para ser aplicada à carga. Isto é realizado através dos conversores CA-CC, também chamado de Retificadores. Dependendo do semicondutor utilizado, tiristor ou diodo, os retificadores podem ser controlados ou não controlados respectivamente.
Os retificadores a diodo são encontrados em muitas aplicações, em geral como estágio de entrada de fontes de potência, acionamento de máquinas, carregadores de baterias e outros. Neste caso a tensão de saída do retificador não pode ser controlada.
