Aula11

(1)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE

SÃO JOÃO DEL-REI

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

CIRCUITO DE DISPARO

(2)

Sumário

1. Parâmetros de Qualidade

2. Potência

3. Circuito de disparo

4. Estudo de caso

5. Exemplo

6. Lista de Exercícios

7. Como montar um Laboratório em casa

(3)

Parâmetros de Qualidade



Fator de forma (FF)

Este fator está relacionado com a

taxa de utilização ou

de aproveitamento de um componente eletroeletrônico

. Se

este fator for mínimo (

FF=1

em corrente contínua constante),

significa que a

potência útil

(trabalho realizado) do equipamento

será

realizado com a menor corrente possível

.

Sua aplicação está mais

relacionada com conversores

CA/CC

e com medidores baseados em valores médios.

𝐹𝐹 =

𝑉

𝑅𝑀𝑆

𝑉

_𝐴𝑉𝐺

=

𝐼

_𝑅𝑀𝑆

𝐼

_𝐴𝑉𝐺

(4)

Parâmetros de Qualidade

 Fator de ondulação / Ripple (RF)

Este fator é a relação entre o valor eficaz da componente alternada e a componente contínua, V_ca/V_cc, e indica a presença de ondulação em uma fonte de corrente contínua.

 Distorção Harmônica Total – DHT

Este fator indica, com mais precisão, o grau de distorção de uma onda ou a quantidade de harmônicas. Uma onda senoidal pura sem distorção apresenta DHT=0.

𝑅𝐹 =

𝑉

𝐴𝐶(𝑅𝑀𝑆)

𝑉

_𝐴𝑉𝐺

(5)

Potência



Potência média de saída (P

_o(AVG)

)

A potência média de saída de um circuito, é o

produto da

tensão média e da corrente média na saída

:



Potência na carga (P

_L

)

Já a potência na carga é o valor de

potência que será

dissipada

na carga e depende do

valor RMS da corrente

que percorre

a mesma:

𝑃

_{𝑜(𝐴𝑉𝐺)}

= 𝑉

. 𝐼

(6)

(7)

Circuito de disparo

O circuito de disparo é o sistema responsável por acionar o interruptor (MOSFET, TBJ, Tiristor, etc.).

O circuito de controle irá gerar o pulso PWM que, posteriormente,

deverá ser amplificado para conseguir acionar o interruptor de potência.

O amplificador de pulsos (ou driver), se faz necessário devido às características de saída dos circuitos de comando, que apresentam baixos

valores de corrente e tensão de saída. Em geral, esses sistemas possuem uma corrente de saída inferior a 50 mA, o que é insuficiente para acionar o

interruptor de forma adequada.

Como será apresentado a seguir, existem circuitos de disparo isolados e não-isolados, simples e complexos, cada um adequado para um tipo de conversor ou aplicação.

(8)

(9)

(10)

Circuito de disparo

O circuito de disparo básico é mostrado na Figura 3.

Para obter os elementos do circuito deve-se utilizar as informações presentes no datasheet dos componentes e as equações vistas abaixo:

Fig. 3 – Circuito de disparo básico.

𝐼

_𝑔

= 𝐶

_𝑖𝑠𝑠

.

∆𝑉

(11)

Circuito de disparo

Além do circuito apresentado anteriormente, que é apenas didático, existe um circuito mais adequado para o acionamento de interruptores, visto na Figura 4.

A vantagem desse circuito é a simplicidade na construção, pois utiliza-se apenas um transistor. Entretanto, o sinal que chega até o gate do MOSFET é um sinal complementar em relação á razão cíclica (1-D), devido à

característica inversora desse circuito.

(12)

Circuito de disparo

(13)

Circuito de disparo

Fig. 4c – Circuito de disparo utilizando apenas um transistor (forma de onda do sinal de disparo e do sinal que chega ao gate do MOSFET).

(14)

Circuito de disparo

Existem também, topologias mais complexas, com um número maior de componentes, como apresentado na Figura 5.

Apesar de possuírem algumas vantagens, como velocidade de comutação maiores, circuitos Snubber, etc., essas topologias demandam mais cálculos para seu dimensionamento e utilizam um número maior de

elementos.

Fig. 5 – Outros tipos de circuito de disparo não-isolados.

(15)

Circuito de disparo

Quando existe a necessidade de isolar o sistema de controle do circuito de potência, deve-se utilizar circuitos de disparo isolados, que irão dar maior segurança na operação do conversor. Para isso, pode-se utilizar

transformadores de pulso, acopladores óticos, etc.

Fig. 6 – Circuitos de disparo isolados: (a) Transformador de Pulso, (b) Acoplador Ótico.

(16)

(17)

Estudo de caso

Para exemplificar como se realiza o dimensionamento de um circuito amplificador de pulso, tomemos como exemplo o circuito da Figura 7.

À partir dos dados do MOSFET IRFP064 e do circuito da Figura 7, obtém-se os seguintes valores de projeto:

ΔV = 15 V / Δt = 190 ns / C_iss = 7400 pF

t_f = 190 ns / t_r = 190 ns

(18)

(19)

Estudo de caso

Utilizando as equações apresentadas anteriormente:

Aproximando para os valores comerciais mais próximos, R_g = 12 Ω. O valor de R_X deve ser grande o suficiente apenas para impedir que o sinal no

gate do transistor fique “flutuando”. Sendo assim, escolheu-se R_X = 10 kΩ. A determinação dos resistores R_B e R_C exige o prévio conhecimento

dos transistores T₁ , T₂ e T₃. Utilizaram-se transistores 2N2222 para T₁ e T₂ (tipo NPN) e transistor 2N2907 para T₃ (tipo PNP).

𝐼_𝑔 = 𝐶_𝑖𝑠𝑠.∆𝑉

∆𝑡 = 7400𝑝

15

190𝑛 ≅ 584 𝑚𝐴

(20)

Estudo de caso

Quando o transistor T₂ está conduzindo (e T₃ bloqueado), sua corrente de coletor I_CT2 equipara-se à corrente I_g de disparo do MOSFET, ou seja, I_CT2 = 584 mA.

(21)

Estudo de caso

Levando o valor de I_CT2 às curvas do fabricante do transistor 2N2222, estima-se a corrente de base I_BT2 = 58,4 mA e, nessa condição, a tensão entre coletor e emissor, V_CET2 = 1,6 V.

(22)

Estudo de caso

As informações apresentadas são suficientes para o cálculo de R_B e R_C. Ainda, é possível verificar que a corrente de base I_BT2 do transistor T₂

equivale à corrente de coletor I_CT1 do transistor T₁, ou seja: I_CT1 = 58,4 mA. Mais uma vez, recorrendo ao catálogo do fabricante, tem-se: I_BT1 = 5,84 mA e V_CET1 = 0,4 V.

Ainda, com T₁ em condução, o resistor R_C fica submetido a uma diferença de potencial dada por 15 - V_CET1, enquanto a corrente I_CT1 circula

pelo mesmo. Deste modo, determina-se R_c:

𝑅

_𝑐

=

15 − 0,4

(23)

Estudo de caso

Quando o transistor T₁ está conduzindo, a tensão aplicada em R_B será de 5 V (saída em nível lógico alto) e a corrente que circulará por este resistor será I_BT1 = 5,84 mA, assim, considerando que a queda de tensão entre base e emissor V_BET1 do transistor T₁ é de 1,3 V, tem-se:

Em virtude dos valores calculados não serem comerciais, adotam-se: R_B = 620 Ω (ou 680 Ω) e R_C = 240 Ω.

𝑅

_𝐵

=

5 − 1,3

(24)

Estudo de caso

A determinação dos resistores e transistores define

completamente o circuito de comando

, porém, cabe neste

ponto, uma observação importante: no

simulador PSIM® não há

necessidade do emprego do circuito para disparar o MOSFET

, já

que os componentes utilizados são idealizados.

Portanto, para assegurar o funcionamento prático do

circuito de comando, propõe-se a

simulação utilizando o

software PSPICE

, que possibilita resultados muito precisos

quando comparados aos obtidos experimentalmente. A seguir

são apresentadas as principais formas de onda.

(25)

Estudo de caso

(26)

Exemplo

Ex. 1) Para o circuito abaixo, calcule o valor de I_g e R_g, sabendo que:

C_iss = 700 pF V_C = 15 V t_f = t_r = Δt = 40 ns RESP: I_g = 0,26 A e R_g ≈ 26 Ω.

𝐼

_𝑔

= 𝐶

_𝑖𝑠𝑠

.

∆𝑉

∆𝑡

𝑡

_𝑓

= 𝑡

_𝑟

= 2,2. 𝑅

_𝑔

. 𝐶

_𝑖𝑠𝑠

(27)

Exemplo

Ex. 2) Para acionar o MOSFET IRF840 no circuito abaixo, calcule o valor de I_g e R_C e R_B, sabendo que: C_iss = 2040 pF V_S = 18 V t_f = t_r = 160 ns

𝐼

_𝑔

= 𝐶

_𝑖𝑠𝑠

.

∆𝑉

∆𝑡

𝑡

_𝑓

= 𝑡

_𝑟

= 2,2. 𝑅

_𝑔

. 𝐶

_𝑖𝑠𝑠 V_CE(sat) = 1,0 V V_BE(sat) = 1,9 V 𝜷 = 10

(28)

Lista de Exercícios

Capítulos 2, 3 e 4 – Ahmed (Eletrônica de Potência)

 Conceitos básicos e princípio de funcionamento do diodo de potência, TBJ / MOSFET, IGBT e SCR;

 Problemas sobre perda de potência.

Capítulo 9 – Ahmed (Eletrônica de Potência)

 Conceitos básicos dos conversores CC-CC e formas de onda características;

 Problemas sobre conversores CC-CC (Buck, Boost, Buck-Boost, Cúk).

Capítulo 9 – Rashid (Eletrônica de Potência)

(29)

(30)

Como montar um Laboratório em casa

- Multímetro

R$10,00 a R$300,00

- Fonte simétrica

R$ 0,00 a R$50,00

(31)

Como montar um Laboratório em casa

(32)

Como montar um Laboratório em casa

(33)

Bibliografia

1. Apostila Sinais Senoidais: Tensão e Corrente Alternadas - Prof. Fernando Luiz Rosa Mussoi - 3ªed. - Florianópolis – Março, 2006.

2. Apostila Valor Médio e Eficaz – Prof. Kazuo Nakashima – Universidade Federal de Itajubá

3. Apostila Projeto de Fontes Chaveadas – Prof. Dr. Alexandre Ferrari de Souza.

4. R.F. Coelho, Estudo dos Conversores Buck e Boost Aplicados ao Rastreamento de Máxima Potência de Sistemas Solares Fotovoltaicos, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica), Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2008.