Eletrónica de Potência
robótica
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João Dias Formador ATEC ATEC – Academia de Formação Tel.: +351 212 107 300 · Fax: +351 212 107 359 info@atec.pt · www.atec.pt
DOSSIER . ELETRÓNICA DE POTÊNCIA
A eletrónica de potência tem um papel fundamental na tecnologia moderna, principalmente no controlo do fluxo de potência onde processam a energia gerada pelas fontes de alimentação através dos dispositivos semicondutores de potência com o objetivo de alimentar as cargas.
Os dispositivos semicondutores de potência são, geralmente, divididos em cinco tipos: 1. Díodo de potência; 2. Transístor de junção bipolar (BJT); 3. MOSFET de potência; 4. Tirístor; 5. Transístor bipolar de porta isolada (IGBT) e transístores de indução estática (SIT). No presente artigo iremos debruçar-nos sobre o princípio de funcionamento do tirístor.
Uma vez no estado de condução, a gate não exerce qualquer controlo sobre o dispositivo e o mesmo permanece neste estado enquanto o potencial do ânodo for maior que o do cátodo. Para ser desligado, é necessário igualar ou tornar inferior o potencial do ânodo relativamente ao do cátodo. Uma vez no modo de condução, a queda de tensão direta sobre o ânodo e o cátodo do tirístor é muito pequena. O tirístor mais utilizado é o SCR (Retificador Controlado de Silício), que não é mais que um retificador controlado. Permite a condução de corrente num só sentido, do ânodo para o cátodo, e comporta-se como um interruptor fechado quando em condução. A seguinte figura ilustra o símbolo do SCR e suas caraterísticas de operação através da curva tensão/corrente.
iT A
Ânodo
Ânodo
P N
Gate
P N
Cátodo
Gate
VT
Podemos considerar quatro formas distintas de fazer com que um tirístor entre em condução: 1. Através da corrente da gate: forma mais usual de disparo de um SCR. Como mencionado anteriormente, quando o SCR está diretamente polarizado e recebe um impulso positivo de corrente da gate para o cátodo entra em condução mantendo-se neste estado desde que, após o processo de entrada em condução, a corrente do ânodo tenha atingido um valor superior ao limite IL - corrente de latching. Sendo assim, a duração do sinal de disparo deve ser tal que permita à corrente atingir o valor IL antes que o sinal de disparo seja retirado; 2. Tensão: à medida que se aumenta a tensão entre o ânodo e o cátodo (diretamente polarizado) é possível iniciar o processo de condução mesmo sem corrente na gate. Este procedimento, nem sempre destrutivo, raramente é utilizado na prática;
C +
O tirístor é um dos dispositivos semicondutores de potência mais importantes operando em regime comutado. Possui uma estrutura de quatro camadas semicondutoras numa sequência PNPN, apresentando um funcionamento biestável. Possui também três terminais: ânodo e cátodo, pelos quais flui a corrente, e a porta, também chamada de gate, que possibilita o estabelecimento de uma corrente entre ânodo e cátodo.
G
seu bloqueio. Para que deixe de conduzir a corrente deverá descer abaixo do valor mínimo de manutenção.
-
G – Gate A – Ânodo C - Cátodo
iT on
Quando o SCR está diretamente polarizado (V T > 0) e é aplicado um impulso positivo de corrente da gate para o cátodo, o dispositivo entra em condução, permitindo circulação de corrente entre o ânodo e o cátodo.
3. Disparo por taxa de crescimento da tensão direta: quando o SCR está diretamente polarizado, mesmo sem corrente de gate, pode entrar em estado de condução devido ao aumento da tensão, caso seja suficientemente elevado, entre ânodo e cátodo. Este disparo, normalmente não desejado, é evitado pela ação de um circuito de proteção conhecido como snubber (circuito resistência e condensador, vulgarmente designado RC, em paralelo com o tirístor);
Nesta altura, o impulso de gate pode ser removido, continuando o SCR em condução do ânodo para o cátodo com um simples díodo de junção. Um aspeto importante deste dispositivo é o facto de não ter a possibilidade de, estando em condução, ser comando para efetuar o
4. Disparo por temperatura: em situações de temperaturas elevadas, a corrente de fuga numa junção PN inversamente polarizada pode ser suficiente para levar o tirístor ao estado de condução. Para evitar este disparo utilizam-se dissipadores de calor.
VF
off
VT
Cátodo
Quando uma corrente de pequena intensidade se estabelece entre o gate e o cátodo, o dispositivo entra no estado de condução desde que o ânodo esteja a um potencial mais elevado quando comparado com o potencial do cátodo.