Aulas Liberato Do professor Irineu chave01

Texto

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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).

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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

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Figura 3: exemplo de chaves A chave como elemento de controle de potência:

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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)

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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.

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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.

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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

Imagem

Figura 1: Simbologia utilizada

Figura 1:

Simbologia utilizada p.2
Figura 2: Exemplos de chaves eletro-mecânicas

Figura 2:

Exemplos de chaves eletro-mecânicas p.2
Figura 3: exemplo de chaves  A chave como elemento de controle de potência:

Figura 3:

exemplo de chaves A chave como elemento de controle de potência: p.3
Figura 4: Comparação entre uma fonte linear e uma chaveada

Figura 4:

Comparação entre uma fonte linear e uma chaveada p.4
Figura 5 – parte da folha de dados do 2N3055

Figura 5

– parte da folha de dados do 2N3055 p.6
Figura 6 – parte da folha de dados do 2N3055

Figura 6

– parte da folha de dados do 2N3055 p.7

Referências