Fundação Escola Técnica Liberato Salzano Vieira da Cunha Curso de Eletrônica
Eletrônica de Potência
Prof. Irineu Alfredo Ronconi Junior
Introdução:
O presente texto deverá tratar de uma parte da Eletrônica conhecida como Eletrônica de Potência e Acionamentos.
Entende-se como Eletrônica de Potência a parte da eletrônica que se dedica ao estudo do desenvolvimento de circuitos eletrônicos para acionamentos de máquinas e dispositivos de chaveamento em geral. A potência envolvida, normalmente está na faixa dos Watts aos Megawatts, isto é, faz parte deste estudo a implementação de um circuito de controle da luminosidade de uma lâmpada, de 60W, por exemplo, bem como o projeto de uma chave de partida suave (softstater) para um motor de indução, que pode necessitar potências de alguns watts até quilo-watts. De uma forma geral podemos entender eletrônica de potência como o desenvolvimento de circuitos que acionam (ligam ou desligam) dispositivos elétricos ou eletrônicos (lâmpadas, máquinas, fornos, etc), isto é cargas, e controlam a potência entregue as mesmas.
Desde cedo é bom perceber que neste caso o controle da potência entregue a carga, em um acionamento, será feito, na maioria dos casos, através do controle do chaveamento.
Chaves:
Chaves são dispositivos que permitem com que um circuito elétrico seja alimentado com uma corrente, bem como permite também a interrupção da mesma.
As chaves, de aplicação prática, podem ser mecânicas (interruptores de luz), eletromecânicas (relés) ou eletrônicas (uso de dispositivos semicondutores).
Figura 1: Simbologia utilizada
Na figura 2 temos imagens que correspondem a uma chave apresentada, na figura 1, como S3.
Figura 2: Exemplos de chaves eletro-mecânicas
Figura 3: exemplo de chaves A chave como elemento de controle de potência:
Figura 4: Comparação entre uma fonte linear e uma chaveada
Como se pode observar pela figura, a tensão na carga da fonte linear variará de acordo com a expressão V
P R
R
UL 10
1 1
+
= .
Utilizando-se as leis de Kirchhoff teremos, para a fonte linear as seguintes relações:
1
R p e U U
U = + (1)
e p e p e p U R R R U R R R U
U
+ − = + − = 1 1 1 1
1 (2)
e p R U R R R
U
+ = 1 1
1 (3)
diferente de zero ohm o potenciômetro também dissipará energia.
Imaginemos agora um problema poderá ser considerado bem próximo do real. Primeiramente utilizaremos o conceito de controle linear de potência utilizando um potenciômetro, e depois o conceito de chave.
A carga é de 10 e a fonte é de 100 V, com resistência interna muito baixa. A faixa de resistência do potenciômetro pode variar de 0 a 1k . O circuito é o mesmo da figura 4. Consideremos quatro situações:
a- Rp = 0 -> utilizando (3): UL = 100 -> PL = 1000W b- RP = 10 -> idem : UL = 50 V -> PL = 500W
c- RP = 100 -> idem: UL = (1/11)x100 = 9,1 V -> PL = 8,26W d- RP = 1000 -> idem:UL = (1/101)x100 = 1 V -> PL = 0,1W Com relação a eficiência do sistema podemos afirmar que:
a- Rp = 0 -> PT = PP + PL ; 1
1000 1000 = = = T L P P
η ;ou 100%
b- Rp = 10 -> idem -> 0,5
1000 500 = = = T L P P
η ; ou 50%
c- Rp = 100 -> idem -> 0,091
91 26 , 8 = = = T L P P
η ; ou 9,1%
d- Rp = 1000 -> idem -> 0,01
8 , 9 1 , 0 = = = T L P P
η ; ou 1%.
Substituímos agora o potenciômetro por um transistor. Utilizaremos o conhecido 2N3055. A folha de dados indica os dados necessários para o dimensionamento da chave. Podemos ver que o transistor suporta 10 A e que neste caso Uce vale 3V.
Também podemos verificar que a chave aberta, se este transistor for utilizado, significa uma corrente de fuga de 0,7mA.
Figura 5 – parte da folha de dados do 2N3055
que atuará sobre a carga será a tensão média dos estados ligado e desligado. Agora a tensão média na carga será dado por:
e e L e D L
L
med U dU
T T U T T
T
U = =
+
= (4)
- Ue é a tensão da fonte;
- T é o período do chaveamento;
- d é o ciclo (ativo) de trabalho, que varia de 0 ≤ d ≤ 1. Mas, lembre-se que a expressão acima deve se adequar ao caso real que estamos propondo aqui.
a- Chave aberta (TL=0). Corrente de fuga = 0,7mA. Então, Pch=0,7mAx(100V-0,7mAx10 )= 0,07W ou 70mW. Na carga, PL = 49nW.
941W. A potência total fornecida pela fonte, PT = 970,1W.
Exercícios:
1- Que comentários são pertinentes com relação a eficiência do uso do transistor, comparativamente ao uso do potenciômetro?
2- Considere que a chave transistorizada fique 50% do tempo ligada (50% desligada). Calcule as potências envolvidas e a eficiência neste caso.
3- Nos casos apresentados no exemplo (ligado e desligado), poderíamos considerar o transistor como uma chave ideal? Justifique a sua resposta.
4- Que considerações poderíamos ainda fazer para aproximar mais a análise de um transistor REAL? Considere a folha de dados do 2N3055:
Figura 6 – parte da folha de dados do 2N3055