Eletrônica Industrial para Automação

Eletrônica Industrial para

Automação

Prof. Dr. Marcos Lajovic Carneiro

Introdução

1) Classificação de conversores

2) Conceitos de eletrônica de potência 3) Chaves eletrônicas

4) Exercícios

Eletrônica de Potência

Circuitos de eletrônica de potência

Conversão de energia de uma forma para outra usando dispositivos eletrônicos.

- Dispositivos eletrônicos utilizados como chave.

- Controle de corrente e tensão.

- Processamento de potência de miliwatts até megawatts.

Projeto de equipamentos de conversão  interdisciplinar

- Teoria de circuitos

- Eletrônica

- Eletromagnetismo

- Microprocessadores (circuitos de controle)

- Transferencia de calor

1) Classificação de conversores

Entrada ac / saída dc  Ex: 220V AC para 19V DC

(retificador)

Entrada dc / saída ac  Ex: 12V DC para 220V AC

(inversor)

Entrada dc / saída dc  Ex: 12V para 5V

Entrada ac / saída ac  Ex: Dimerização de luz, controle de velocidade

de motor de indução.

Interface

entre fonte

e carga

1) Classificação de conversores

Classificação dos conversores:

- A direção do fluxo de potência (principalmente)

- Formato da onda de tensão

Dois ou mais conversores podem ser usados em um

processo com múltiplas etapas

Conversor DC-DC básico (e ineficiente):

Divisor de tensão

1) Classificação de conversores

• Criando fonte de 3V a partir de uma de 9V.

2 vezes mais potência é dissipada na resistência 2.RL do que na carga RL desejada

• Eficiência de 33.3%

• 66.6% de perda em calor

• Se a carga RL mudar a

tensão sobre ela também

muda.

• Ajuste necessário em 2.RL

• Possível uso de um

transistor como

resistência variável.

Porém, o problema de

baixa eficiência

permanece.

Conversor DC-DC chaveado

Chave ideal

• Fechada = curto

• Aberta = circuito aberto

Tensão instantânea na carga

Tensão média na carga

Potência consumida na chave P=V.i

Chave aberta: i= 0 P=0 Chave fechada: V=0 P=0

Potência consumida na chave = 0 Toda potência é dissipada na carga Eficiência = 100%

Inserindo um filtro passa-baixa para remover todos os

harmônicos, deixando passar apenas a tensão dc (média)

A saída é então puramente dc para um filtro ideal

Domínio do tempo Domínio da frequência Filtro passa baixa Domínio da frequência Domínio do tempo Filtro Ideal Eficiência 100% Filtro real

Inserindo um filtro passa-baixa para remover todos os

harmônicos, deixando passar apenas a tensão dc (média)

A saída é então puramente dc para um filtro ideal

Redução do tamanho e peso do filtro:

• Redução do tamanho dos componentes • Aumento da frequência de chaveamento

O controle do chaveamento pode compensar

variações em Vs e regular a saída

Revisão/Resumo – Espectro de potência e

transformada de Fourier

• Osciloscópio: uma ferramenta comumente usada para visualizar sinais no domínio do tempo.

• Analisador de espectro: uma ferramenta usada para visualizar sinais no domínio da frequência.

Um gráfico no domínio do tempo mostra como um sinal varia ao longo do tempo; em contraste, um gráfico no domínio da frequência, comumente chamado de espectro de frequências, mostra quanto do sinal reside em cada faixa de frequência.

Revisão/Resumo – Espectro de potência e

transformada de Fourier

Transformada direta de Fourier

Transformada inversa de Fourier

http://www.seara.ufc.br/tintim/matematica/fourier/fourier5.htm

f(x) = a₀+ a₁ sen(x) +a₂ sen(2x) +a₃ sen(3x)+ ... + b₁ cos(x) + b₂ cos(2x) + ...

Toda onda periódica pode ser escrita como uma série de senos e cossenos:

Onda quadrada escrita como uma série de senóides (Transformada direta de Fourier da onda quadrada):

Revisão/Resumo – Espectro de potência e

transformada de Fourier

Onda quadrada no domínio da frequência

http://www.seara.ufc.br/tintim/matematica/fourier/fourier5.htm

f(x) = 1/2 + (2) sen(x) + (2/(3)) sen(3x) + (2/(5)) sen(5x) + (2/(7)) sen(7x) + ...

A1

Ao A2

A3

A4

Revisão/Resumo – Espectro de potência e

transformada de Fourier

Uma função pode ser convertida do domínio do tempo para o domínio da

frequência através de um operador matemático chamado genericamente de

transformada integral.

Um exemplo é a transformada de Fourier, que decompõe uma função na

soma de um número (potencialmente infinito) de componentes senoidais,

produzindo um espectro de frequências.

A transformada inversa correspondente converte esse espectro de volta para

o domínio do tempo, ou seja, para a função original.

*Existem ainda transformadas que permitem a conversão para um domínio misto do tempo e da frequência ao mesmo tempo, como é o caso da transformada de wavelet. Outros exemplos: Tranformada de Laplace, Transformada Z, …

Revisão/Resumo – Espectro de potência e

transformada de Fourier

Domínio do tempo

Diodos

• A mais simples das chaves • Não pode ser controlada

Características importantes de projeto:

- Tempo de recuperação  frequência máxima de funcionamento - Corrente máxima

- Tensão de limiar (dependendo da aplicação)

Diodos

Corrente reversa de recuperação

Corrente negativa durante o chaveamento de ligado para desligado

Tempo de recuperação reverso Normalmente: trr < 1us

Diodos

Diodo de rápida recuperação • Menores trr

• Aplicações de alta frequência • Material: Carbeto de silício (SiC) Diodo Schottky

• Junção metal-silício • Queda de tensão: 0,3 V • Aplicações de baixa tensão

• Tensão reversa em torno de 100V • Chaveamento mais rápido

• Sem o transitório de recuperação

Diodo Comum

• Junção P-N (silício dos dois lados) • Queda de tensão: 0,7 V

Tiristores

• Aplicações que necessitam do controle da chave de aberto para fechado

OFF  ON CONTROLE

• Familia de dispositivos com 3 terminais: • SCR – Retificador controlado de silício • Triac

• GTO – Gate turnoff thyristor • MCT – Tiristor controlado MOS • Outros …..

Tiristores

SCR – Retificador controlado de silício

• Terminais: Anodo (A), Catodo (K) e Porta (G) Disparo - etapas:

1°) Tensão entre anodo e catodo. 2°) Corrente entrando no gate

Depois de disparado, a corrente do gate pode ser retirada que ele continua a conduzir.

Necessida de apenas um pulso de corrente para conduzir

Conduz enquanto:

• Corrente é positiva e acima de um nível mínimo.

Tiristores

GTO – Gate TurnOff thyristor

• Terminais: Anodo (A), Catodo (K) e Porta (G) Disparo - etapas:

1°) Tensão entre anodo e catodo. 2°) Corrente entrando no gate

Depois de disparado a corrente do gate pode ser retirada que ele continua a conduzir.

Necessida de apenas um pulso de corrente para conduzir

Condução pode ser interrompida

• Pulso de corrente (micro-segundos) saindo do gate interrompe a condução.

• Pulso de corrente da ordem de 1/3 da corrente entre anodo e catodo.

Tiristores

TRIAC

• Capaz de conduzir nos dois sentidos

• Funcionalidade igual a de dois SCRs ligados em paralelo e em sentidos contrários.

• Muito usado para dimerizar luzes. Controle do ciclo positivo e negativo da senoide de tensão.

Tiristores

MCT – MOS-CONTROLED THYRISTOR

• Funcionamento equivalente ao do GTO porém sem necessidade de alta corrente de

desligamento.

• Formado por um SCR e dois MOSFETs integrados no mesmo dispositivo

• Um MOSFET liga o SCR e outro desliga o SCR. • Condução disparada por uma tensão

adequada entre Gate e Catodo (ao contrário do uso de corrente no GTO)

Atividades

• Ler capítulo 1 – Hart

• Baixar PSPICE

TRANSISTORES

Em aplicações de eletrônica de potência são usados em dois estados: - Completamente aberto

- Completamente fechado

* Não são utilizados como amplificador linear Ao contrário do diodo, estados ON e OFF são controlados. Tipos de Transistores:

- MOSFET

- Transistor bipolar de junção (BJT)

MOSFET

• Dispositivo controlado por tensão (Vgs)

• Pode ser modelado como resistência variável ou chave ideal • Pode suportar tensões da ordem de 1500V e correntes de 600A

• Chaveamento mais veloz que do BJT (pode trabalhar em frequências de megahertz)

Região linear resistiva R_{DS(on) (miliohms)} Modelagem como chave ideal Diodo parasita de corrente reversa (substrato)

Transistor de Junção Bipolar (TBJ)

• Dispositivo controlado por corrente (i_B)

• Conduz quando a corrente na base atinge determinado nível • Tensão de saturação Vce entre 1V e 2V para BJT de potência

• Baixos valores de h_FE (ganho) para BJTs de potência (abaixo de 20) • Necessidade de altas correntes de base

• Circuito de controle acaba sendo também um circuito de potência

Modelagem como chave

Transistor de Junção Bipolar (TBJ)

Configuração Darlington • 2 BJTs ou circuito completo integrado

• Ganho do arranjo é aproximadamente igual ao produto do ganho individual de cada BJT. • Permite redução da corrente de controle.

BJT raramente é utilizado em novas aplicações, tornou-se obsoleto devido ao MOSFET e ao IGBT.

Configuração Darlington

Transistor Bipolar de

Porta Isolada

(Insulated-Gate Bipolar Transistor - IGBT)

• Conexão integrada entre MOSFET e BJT.

• Circuito de controle semelhante ao do MOSFET

Códigos dos transistores

• Os códigos dependem do fabricante, da máxima corrente, máxima tensão, ganho e outras especificações.

• Transistores mais comuns: Baixa potência (BC, BF, ...)

BC548, BC558, BC337, BC327, BF494, BF422, BF423, 2SC1815, 2SA1015, 2N2222, etc Média potência (BD, TIP, ....)

BD139, BD140, TIP41, TIP42, BUW84, BF459, 2SD401, 2SD1414, 2SB667, 2SB578,etc Alta potência

Códigos dos transistores

• Sistema europeu Começa com letras.

Se a 1ª letra for A, a peça é de germânio e se for B, é de silício. A 2ª letra indica o tipo e a função da peça da seguinte forma:

A = diodo

B = diodo varicap (capacitância ajustável)

C = transístor de baixa frequência e baixa potência D = transístor de baixa frequência e média potência E = diodo túnel

F = transístor de alta frequência e baixa potência L = transístor de alta frequência e alta potência M = elemento hall (magnético)

N = fotoacoplador

P = elemento sensível a radiação

S = transístor de alta potencia para comutação U = transístor de alta potência para chaveamento Y = diodo retificador

Z = diodo zener

Exemplos:

AC188 – Transístor de germânio (antigo) para baixa frequência e baixa potência

BD139 – Transístor de silício (moderno) para baixa frequência e média potência

Códigos dos transistores

• Sistema americano - Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC) 1N - diodo

2N – transístor

3N – dispositivos de 4 camadas 4N e 5N – acopladores ópticos

Os números sequenciais vão de 100 até 9999.

A presença do sufixo pode indicar varias coisas. Por exemplo 2N2222A é uma versão melhorada do 2N2222

Exemplos:

1N4148 é diodo 2N3055 é transístor

1N914 (diodo), 2N2222, 2N2222A, 2N904 (transistor).

NOTA: Quando uma versão metálica de um transistor JEDEC é refeita em

encapsulamento plástico, muitas vezes é adicionado um numero ou letra. Por exemplo o transistor PN2222A é uma versão em plástico do 2N2222A. (metálico)

Códigos dos transistores

• Sistema japonês

• Pode começar com 1S se for diodo ou 2S se for transístor. • Geralmente este prefixo não vem no corpo.

• Normalmente apresenta apenas uma letra seguida de um número. • Se vier as letras A ou B, será PNP. Se for C ou D, será NPN.

• Exemplo:

2S C 1815 é um transistor NPN. • Sistema Texas

• TIP – Transístor de média ou alta potência; • TIS – Transístor de baixa potência;

• TIC – Tiristor (SCR ou TRIAC).

Códigos dos transistores

• Sistema Motorola

MJ – Transístor de silício para alta potência; MP – Transístor de germânio para alta potência; MPS – Transístor de silício de baixa potência; MPF – Transístor FET.

Exemplos:

• MPSA42 é um transístor de silício de baixa potência; • MJE13007 é um transístor de silício de alta potência.

Datasheet

- Fazer download do Pspice Student (pequeno - 30MB)  Dropbox *** Selecionar o Schematics durante a instalação.

- Simular exemplo 1.2 (HART – Eletrônica de potência)  Instruções no livro pag.23 Exercícios

Lista Cap.1 – Para o dia da primeira prova - Problemas 1-1, 1-2, 1-3 e 1-4.

Resultados de simulação do livro Resultados de simulação no PSpice