segunda-feira, 28 de outubro de 2024

EX 23.1 - Diodo Rápido - Proteção de transistor em driver de relé

O diodo retificador 1N4148 é um diodo planar ultra-rápido de velocidade de comutação máx de 4ns, amplamente utilizado em aplicações eletrônicas para tarefas como retificação e proteção de circuitos.
  • A tensão reversa é de 100V.
  • Possui encapsulamento DO-35. 
  • Pode suportar uma corrente máxima de 200mA.
O diodo 1N4148 é frequentemente usado em circuitos de comutação, como em aplicações de chaveamento de sinais de baixa tensão e corrente, bem como em aplicações de detecção de sinal. 


Proteção de componentes com Diodo Rápido em circuito com relé
O relé é composto por uma bobina, que quando acionada, cria o campo magnético que é usado para acionar a chave eletromecânica do relé. Portanto, quando o transistor estiver em seu estado LIGADO, a corrente irá acionar o relé, no entanto, quando o transistor é desligado, uma grande tensão contra eletromotriz será gerada pela bobina, isso pode ser o suficiente para danificar o transistor do circuito.
O nível de tensão contra eletromotriz (EMF) gerado será igual a => L di/dt – em outras palavras, quanto maior a taxa de variação, maior será a tensão gerada. Mesmo para valores baixos de alimentação, a EMFs geradas podem subir para várias centenas de volts se a comutação for rápida o suficiente. Isso é mais do que suficiente para destruir um dispositivo semicondutor.
Para suprimir esta EMF, um diodo é normalmente colocado em paralelo com a bobina. Como a EMF estará na polaridade oposta à tensão normal na bobina, o diodo que é polarizado inversamente na operação normal entrará em condução direta e toda a corrente causada pela EMF, se dissipará, suprimindo assim o EMF. Utilizando o circuito de proteção com diodo  rápido para o driver do relé, ele estará sujeito apenas a um máximo da tensão de alimentação mais a tensão de condução direta do diodo, cujo silício é de 0,6 ou 0,7 volts. Idealmente, o diodo de fixação deve estar o mais próximo possível da bobina do relé. 
Logo a função do diodo em anti paralelo á bobina é absorver a tensão de auto indutância da bobina do relé quando o transistor é desconectado.

O diagrama utilizado em aula estará disponível em: 24_05_02 Driver á relé com transistor SRG.

© Direitos de autor. 2018: Gomes, Sinésio R. Última atualização: 30/05/2024

sexta-feira, 25 de outubro de 2024

Aula 23 - Diodos especiais

1 - Diodo de contato pontual (Cat Whisker Diode)
Diodos de contato pontual (Cat Whisker Diode) são usados ​​para detectar sinais de alta frequência. Eles são produzidos criando uma junção PN entre um fio de ouro ou tungstênio e um material de germânio tipo n. O fio dourado permite a passagem de alta corrente pela junção. As características diretas deste diodo são semelhantes às de um diodo normal; entretanto, na polarização reversa, o diodo atua como um isolante. Isso faz com que o diodo opere como um capacitor em condições de polarização reversa e bloqueie a CC enquanto passa por um sinal CA de alta frequência. O corpo do diodo está envolto em um invólucro de vidro.
Este diodo é usado como um detector AM dentro de um receptor de rádio e um detector de vídeo dentro de um receptor de TV.
Construção: O diodo de contato pontual é construído com um contato de substrato de um semicondutor tipo N, bem como fio de bronze fosforoso (bigode de gato). Neste tipo de construção de diodo, o semicondutor usado é Ge ou Si, embora Ge seja amplamente usado porque tem alta mobilidade de portadora.
O comprimento do substrato semicondutor é de aproximadamente 1,25 mm^2 e sua largura é de 0,5 milímetros de espessura. Aqui, uma parte do substrato do semicondutor é conectada com a base de metal por soldagem com o método de aquecimento RF. A região transversal do "bigode de gato" é conectada a um semicondutor tipo N, no entanto, a fase do substrato que é conectada ao bigode de gato deve ser revertida para essa fase de contato de metal. Aqui, os terminais de ânodo e cátodo são simplesmente conectados por meio de contatos metálicos.
Desenvolvido pelos primeiros pesquisadores de rádio Jagadish Chandra Bose, G. W. Pickard e outros, este dispositivo foi usado como detector nos primeiros rádios de cristal, desde 1906 até a Segunda Guerra Mundial. Foi o primeiro tipo de diodo semicondutor e o primeiro dispositivo eletrônico semicondutor.
A folha de dados do Point Contact Germanium Diode 1N34A está disponível em: Point Contact Germanium Diode 1N34A.

2 - Diodos PIN
O diodo PIN é usado como chave ou atenuador em frequências de RF e micro-ondas. Ele é formado por um sanduíche de uma camada semicondutora intrínseca de alta resistividade entre as camadas tipo P e tipo N de um diodo convencional; daí o nome PIN, que reflete a estrutura do diodo.
O diodo sem polarização ou com polarização reversa não tem carga armazenada na camada intrínseca. Essa é a condição de desligamento nas aplicações de comutação. A inserção da camada intrínseca aumenta a largura efetiva da camada de depleção do diodo, resultando em uma capacitância muito baixa e em tensões de ruptura mais altas.
A condição de polarização direta resulta na injeção de lacunas e elétrons na camada intrínseca. Esses portadores levam algum tempo para se recombinarem uns com os outros. Esse tempo é chamado de vida útil do portador, t. Há uma carga média armazenada que reduz a resistência efetiva da camada intrínseca a uma resistência mínima, RS. Na condição de polarização direta, o diodo é usado como um atenuador de RF.

Construção:
 O nome é deve-se à existência de uma camada I (“intrínseca” – silício sem dopagem) entre as camadas P e N. Quando diretamente polarizado, buracos e elétrons são injetados na camada intrínseca I e as cargas não se anulam de imediato, ficam ativas por um determinado período. O efeito resulta numa carga média na camada que possibilita a condução. Na polarização nula ou inversa, não há carga armazenada e o diodo comporta-se como um condensador (capacitor) em paralelo com a resistência própria do conjunto.

O diodo PIN encontrou suas primeiras aplicações em 1952 como um retificador de baixa frequência e alta potência. Também foi usado em várias aplicações de micro-ondas, embora tenha demorado até cerca de 1960 antes que seu uso se tornasse mais popular nessa aplicação.
A folha de dados do Silicon PIN Diode 1N5719 está disponível em: Silicon PIN Diode 1N5719.

3 - Diodo de Avalanche
Diodos de Avalanche são aqueles que funcionam em modo de ruptura de avalanche sem se danificarem. Em geral, eles não permitem corrente, mas quando a voltagem cruza a voltagem de ruptura, eles começam a conduzir corrente. Um diodo que usa o método de avalanche para fornecer desempenho adicional em comparação com outros diodos é chamado de fotodiodo de avalanche.

Os fotodiodos de avalanche transformam um sinal óptico em um sinal elétrico e podem operar em altas tensões de polarização reversa.
A estrutura de um fotodiodo PIN e um fotodiodo de avalanche é semelhante e consiste em duas regiões fortemente dopadas e duas regiões levemente dopadas, as regiões fortemente dopadas são P + e N +, enquanto as regiões levemente dopadas são I e P.
O fotodiodo de avalanche foi projetado pelo engenheiro japonês" Jun-ichi Nishizawa" em 1952. O fotodiodo de avalanche é um detector semicondutor muito sensível que usa o efeito fotoelétrico para converter luz em eletricidade.
Em sistemas de comunicação de fibra óptica, um único componente, como um fotodiodo de avalanche, é usado para converter a luz em um sinal elétrico. Durante o processo de avalanche, portadores de carga são gerados por colisões. Os fótons semelhantes a partículas de luz criam muitos elétrons, que por sua vez criam uma corrente elétrica.
A folha de dados do Avalanche Diode R2KN está disponível em: Avalanche Diode R2KN.


4 - Diodo de barreira Schottky
O Diodo Schottky também é conhecido como diodo portador quente ou diodo de barreira quente. O diodo Schottky é formado pela junção de um semicondutor com um metal. As vantagens de um diodo Schottky sobre um diodo normal são: ele tem uma queda de tensão direta muito baixa e velocidade de comutação muito rápida, logo é um semicondutor que fornece comutação muito rápida entre estados de condução direta e reversa.
Construção: O diodo Schottky é formado colocando-se um filme metálico em contato direto com um semicondutor. O metal, que pode ser platina, tungstênio, cromo, entre outros, é usualmente depositado sobre um semicondutor do tipo N, devido a maior mobilidade dos elétrons em relação às lacunas. Nesse sentido, a camada metálica representa o ânodo e a camada semicondutora o cátodo.
A combinação da camada de metal com o semicondutor do tipo N também é conhecida como junção M-S (Metal-Semicondutor), e o ponto onde esses dois materiais se encontram é chamado de Barreira Schottky – batizada em homenagem ao físico alemão Walter H. Schottky.
A folha de dados do Diodo Schottky 1N5820 está disponível em: 24_05_12 Diodo Schottky 1N5820.

5 - Diodo Shockley

Diodo Shockley é um diodo de camada PNPN. Sua construção é quase a mesma de um tiristor sem o terminal de gate. Diodo Shockley tem duas junções PN. Além disso, pode ter várias junções PN. Até que a tensão aplicada cruze a tensão disparada, ela não permite o fluxo de corrente. Uma vez que a tensão aplicada cruze a tensão disparada, sua resistência diminui para baixo e a corrente inicia o fluxo. 
Este dispositivo foi desenvolvido pelo físico estadounidense William Bradford Shockley (1910-1989), depois de abandonar os Laboratórios Bell e fundar Shockley Semiconductor. Foram fabricados por Clevite-Shockley. Shockley foi o descobridor do transístor pelo que obteve o Prêmio Nobel de Física em 1956.

6 - Diodo Gunn
Os diodos Gunn são projetados apenas com material semicondutor tipo n. Dois materiais do tipo n são unidos para formar uma região de depleção entre eles. A região de depleção de materiais do tipo n é muito pequena. Quando uma tensão direta é aplicada, a corrente aumenta e atinge um nível de pico. Então, à medida que a tensão direta aumenta ainda mais, a corrente começa a diminuir exponencialmente, conforme mostrado no gráfico abaixo, isso é chamado de resistência diferencial negativa (Efeito Gunn). 
Os diodos Gunn também são chamados de dispositivos de elétrons transferidos. No estado de condução, estes produzem sinais de RF de micro-ondas. Os diodos Gunn são usados ​​como osciladores em amplificadores de microondas.

Construção:
 O diodo Gunn tem uma característica bastante particular: é construído apenas com semicondutor tipo N, ao contrário do par PN. São construídos com três camadas. A camada central tem um nível de dopagem menor. 
O dispositivo exibe característica de resistência negativa. O material semicondutor pode ser arsenieto de gálio (GaAs) ou nitreto de gálio (GaN), este último para frequências mais elevadas.
O efeito Gunn foi descoberto no início da década de 1960, o cientista da IBM, J.B. Gunn, em certos semicondutores como o Arsenieto de Gálio.
A folha de dados do Diodo GUNN MG1001 está disponível em: 24_10_06 GUNN Diode MG1001_1060.

7 - Diodo Laser
Os diodos laser são uma espécie de diodo emissor de luz. A sigla 'laser' significa Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação. A junção PN de um diodo laser possui extremidades polidas. Quando polarizada diretamente, a junção emite fótons e então os fótons emitidos são refletidos para frente e para trás entre as extremidades polidas do diodo. Como resultado, mais pares elétron-buraco são gerados. Sua recombinação produz mais fótons em fase com o fóton anterior. Isto leva à geração de um feixe de laser a partir da região semicondutora do diodo, monocromático e monofásico. O feixe de laser emitido pode estar na região visível ou infravermelha. Esses diodos também são conhecidos como injeção, semicondutores e lasers de diodo. Os diodos laser são usados ​​em comunicação por fibra óptica, impressoras a laser, leitores de disco óptico, sistemas de detecção de intrusão, aplicações de controle remoto e leitores de código de barras.
Construção: 
Um diodo laser é um dispositivo semicondutor feito de dois materiais diferentes. Um material P, o outro material N, intercalados. A polarização elétrica direta através da junção PN faz com que as respectivas lacunas e elétrons de lados opostos da junção se combinem, emitindo um fóton no processo de cada combinação. As superfícies da área da junção (cavidade) têm um acabamento espelhado. A polarização elétrica para a junção precisa ser uma fonte de corrente fixa estável, de baixo ruído e sem transientes.
O primeiro diodo laser foi demonstrado em 1962 por dois grupos de norte-americanos liderados por Robert N. Hall da General Electric e por Marshall Nathan no TJ Watson da IBM.

8 - Diodo Varactor (Varicap)
Os diodos Varactor funcionam como um capacitor variável, por isso esses diodos também são chamados de diodos varicap. Eles são conectados por meio de polarização reversa em um circuito de tensão constante. Sua especialidade é que sua camada de depleção pode ser aumentada ou diminuída variando a tensão reversa aplicada. A mudança na camada de depleção altera a capacitância do diodo. A capacitância de um diodo varactor pode variar para valores muito altos. Esses diodos são usados ​​em osciladores controlados por tensão, capacitores controlados por tensão, multiplicadores de frequência, amplificadores paramétricos, loops de bloqueio de fase e transmissores FM.


Construção: 
O Diodo Varactor é formado por semicondutores do tipo P e do tipo N e polarização reversa é aplicada a ele. Os portadores majoritários em um semicondutor do tipo N são elétrons e os portadores majoritários em um semicondutor do tipo P são buracos. Na junção, os elétrons e buracos se recombinam. Devido a isso, íons imóveis se acumulam na junção. E nenhuma corrente pode fluir mais devido aos portadores majoritários.
Assim, a região de depleção é formada. A região de depleção é chamada assim porque é depletada de portadores de carga, ou seja, a maioria dos portadores está ausente na região de depleção. Isso funciona como uma camada dielétrica e semicondutores do tipo P e N funcionam como placas de um capacitor.
A folha de dados do Diodo Varicap BB405B está disponível em: 24_10_08 Varicap Diode BB405B.

9 -Diodo Túnel
Os diodos túnel são diodos semicondutores fortemente dopados – 1000 vezes mais do que um diodo de sinal grande. Esses diodos usam um fenômeno quântico chamado tunelamento ressonante. Esses diodos exibem uma estranha resistência negativa em suas características diretas. Quando polarizada diretamente, a corrente aumenta com a tensão e atinge um pico. Isso é chamado de corrente de pico, e a tensão neste ponto é chamada de tensão de pico. Então, com o aumento da tensão, a corrente diminui e cai para um ponto baixo denominado corrente de vale. A tensão neste ponto é chamada de tensão de vale. Ao aumentar a tensão aplicada além da tensão de vale, a corrente aumenta exponencialmente sem qualquer queda adicional. 
Esses diodos têm um tempo de comutação muito rápido da ordem de nano segundos. Sua resposta transitória é limitada apenas pela capacitância da junção e pela capacitância do fio parasita. Os diodos túnel são usados ​​como interruptores de alta velocidade em osciladores e amplificadores de micro-ondas. É possível sintonizar esses diodos tanto eletricamente quanto mecanicamente.
Construção:
 Díodos Túnel são diodos de junção PN com elevadas concentrações de impurezas (dopagem) em ambas as camadas. Nesta situação, a região de depleção é muito estreita, na faixa de "algumas dezenas de átomos" de espessura. A proximidade das partes ativas das camadas permite o efeito túnel. O resultado é o comportamento de resistência negativa, isto é, a corrente diminui com o aumento da tensão, em uma parte da curva de polarização direta.
A característica de resistência negativa permite a construção de osciladores simples como o circuito da figura acima. A elevada dopagem faz com que a maior parte dos portadores sejam lacunas e elétrons que têm ação bastante rápida. Assim, pode operar em frequências elevadas.
Os diodos túnel são pouco usados atualmente. As principais desvantagens são a baixa potência e o custo, fatores com vantagem em outras tecnologias.

10 - Diodo de corrente constante
Os diodos de corrente constante também são conhecidos como diodos limitadores de corrente e diodos reguladores de corrente. Estes são usados ​​como reguladores de corrente atuais. Eles têm uma construção semelhante a um JFET, mas são um dispositivo de dois terminais. Um diodo de corrente constante possui características diretas, nas quais, inicialmente, a corrente aumenta exponencialmente como um diodo normal. Então, além de um ponto de regulação de corrente, a corrente fica saturada. O diodo atinge a saturação da corrente deixando cair mais tensão nele. Diodos de corrente constante são usados ​​no carregamento de baterias, circuitos de fonte de alimentação e circuitos de diodo laser.
A folha de dados do Diode 1N5283 está disponível em: Constant current diode Diode 1N5283.

11 - Diodo de Recuperação Escalonada
Os diodos de recuperação escalonada ou diodos instantâneos são projetados para operação em alta frequência. Eles também são chamados de diodos snap-off e diodos de armazenamento de carga. Esses diodos são usados ​​​​em multiplicadores de ordem superior e circuitos modeladores de pulso. Quando um sinal senoidal é aplicado a eles, eles armazenam carga no pulso positivo e utilizam essa carga no pulso negativo. O tempo de subida do pulso de corrente permanece igual ao tempo de snap. É por isso que são chamados de diodos de recuperação escalonada. A frequência de corte desses diodos varia entre 200 e 300 GHz. Quanto maior for a frequência do sinal, melhor será a sua eficiência.

12 - Diodo de Supressão de tensão transitória
Os diodos de Supressão de tensão transitória são semelhantes aos diodos Zener. Eles são usados ​​para fixar tensões transitórias e são projetados para oferecer baixa impedância em resposta a uma tensão transitória, entrando imediatamente na região de ruptura da avalanche. O tempo de resposta do diodo é em pico segundos. Esses diodos são projetados para ter uma tensão de fixação mínima. Os diodos de supressão de tensão são usados ​​em diversas aplicações, envolvendo principalmente processamento de sinais ou comunicação de dados.

13 - Diodo Zener
O Zener é um diodo de silício fortemente dopado que foi construído para operar em zonas de ruptura, em homenagem ao seu inventor, Dr. Clarence Melvin Zener . É usado como regulador de tensão. Sendo um elemento tão preciso, sua principal aplicação é regular a tensão (alcançar um valor de tensão muito exato) que atinge um determinado componente, como um resistor de carga. Além disso, se a tensão da fonte for inferior à do diodo, ele não poderá realizar sua regulação característica. A corrente que passa pelo zener nessas condições é chamada de corrente reversa (Iz).
Quando o diodo é polarizado reversamente, uma pequena corrente flui através dele, chamada corrente de saturação IS, esta corrente permanece relativamente constante enquanto aumentamos a tensão reversa até que seu valor atinja VZ, chamada tensão Zener (que não é a tensão de ruptura). , para o qual o diodo entra na região de colapso. A corrente começa a aumentar rapidamente devido ao efeito avalanche. Nesta região, pequenas mudanças na tensão produzem grandes mudanças na corrente. O diodo zener mantém a tensão praticamente constante entre suas extremidades para uma ampla faixa de corrente reversa. É chamada de zona de ruptura acima de Vz. Antes de chegar a Vz, o zener NÃO conduz, enfim é um regulador de tensão.

© Direitos de autor. 2004: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/04/2024

quarta-feira, 23 de outubro de 2024

Equipamentos - Multímetro Digital


O multímetro é um equipamento utilizado para realizar medições elétricas. No multímetro digital geralmente se encontra um amperímetro, um voltímetro de tensão continua e tensão alternada, um ohmímetro e um testador de sinal, diodos, transistores, etc.
O Amperímetro é utilizado para  fazer medições de correntes elétricas, sempre o utilizando em ligação em série com o que for testado, caso ligado em paralelo poderá ocorrer a queima de tal,  a unidade utilizada é o Ampere (A).
O Voltímetro, é utilizado para fazer medições de tensão elétrica, ele deve ser ligado em paralelo com o que for testado, no modo voltímetro é possível escolher duas formas para medir a tensão contínua e a tensão alternada, no modo contínuo é utilizado para medir tensão de baterias e pilhas, no modo alternado é utilizado para medir a tensão de tomadas residenciais, etc, a unidade utilizada é o Volt (V).
O Ohmímetro, é utilizado para fazer medição de resistência elétrica, é preciso que o que o resistor a ser medido esteja desconectado do circuito e de qualquer fonte de energia, a unidade utilizada é o Ohm (Ω).
O Testador de Sinal, Diodos e Transistores, é utilizado para fazer testes em diodos, LED’s, transistores e também em trilhas para placas verificando alguma falha na mesma, etc.
Além das funções básicas, outras partes importantes do multímetro são as pontas de prova, com elas que é possível realizar as medições.
1. Resistores: Para medir um resistor ou a resistência de um fio, é necessário ajustar o multímetro na função ohmímetro, dessa forma a unidade utilizada será o Ohm, para medir basta conectar as duas ponteiras de provas nas pontas do resistor ou fio, assim automaticamente será mostrado no visor o valor de sua resistência.
2. Tensão Rede Elétrica: Para medir a tensão em uma tomada de sua rede elétrica, é necessário ajustar o multímetro na função voltímetro na opção de tensão alternada, dessa forma a unidade utilizada será o Volt, antes de iniciar a medição é preciso tomar alguns cuidados, se você não conhece a rede é recomendável que utilize o equipamento na maior escala que tiver (no caso 750V) para que dessa forma não danifique o aparelho.
3. Tensão em Pilhas: Para medir a tensão em uma pilha ou bateria, é necessário ajustar o multímetro na função voltímetro na opção de tensão continua, dessa forma a unidade utilizada será o Volt, após isso conectar a  ponteira de cor vermelha no polo positivo da pilha e a de cor preta no polo negativo, se você conectar ao contrário não há problema, mas aparecerá no visor um sinal de negativo antes da medida, mostrando que está invertida a polaridade.
4. Testando LED’s: Para medir um LED, é necessário ajustar o multímetro na função de teste de diodo, pois um LED não deixa de ser um díodo, porém emissor de luz (Light-Emitting Diode=LED), esse tipo de medição não tem unidade nenhuma, para medir basta conectar a ponteira vermelha na maior terminal do LED e a ponteira preta na menor terminal, se o LED estiver em perfeitas condições, ele irá acender.
© Direitos de autor. 2019: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 22/02/2019

segunda-feira, 21 de outubro de 2024

EX 22.2 - Retificadores em ponte não-controlados com entrada trifásica

Quando a potência da carga alimentada se eleva, via de regra são utilizados retificadores trifásicos, como mostra a figura , a fim de, distribuindo a corrente entre as 3 fases, evitar desequilíbrios que poderiam ocorrer caso a corrente fosse consumida de apenas 1 ou 2 fases. 
Neste caso a corrente é fornecida, a cada intervalo de 60 graus, por apenas 2 das 3 fases. Poderão conduzir aquelas fases que tiverem, em módulo, as 2 maiores tensões. Ou seja, a fase que for mais positiva, poderá levar o diodo a ela conectado, na semi-ponte superior, à condução. Na semi-ponte inferior poderá conduzir o diodo conectado às fase com tensão mais negativa. Pela fase com tensão intermediária não haverá corrente. 

 A figura 01 mostra formas de onda típicas considerando que o lado CC é composto, dominantemente, por uma carga resistiva, indutiva ou capacitiva. No primeiro caso a corrente segue a mesma forma da tensão sobre a carga, ou seja, uma retificação de 6 pulsos. Quando um filtro indutivo é utilizado, tem-se um alisamento da corrente, de modo que a onda apresenta-se praticamente retangular. Já com um filtro capacitivo (mantendo ainda uma pequena indutância série), tem-se os picos de corrente. Com o aumento da indutância tem-se uma redução dos picos e, eventualmente, a corrente não chega a se anular. 
O diagrama elétrico de um retificador em ponte não controlado com diodos discretos 1N5408 está disponível em: 24_06_08 Retificador em ponte não controlado.
A folha de dados da ponte retificadora trifásica DBI15 está disponível em: 24_06_10 Ponte retificadora trifásica DBI15.
© Direitos de autor. 2014: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 27/01/2014

sexta-feira, 18 de outubro de 2024

EX 22.1 - Retificadores 1/2 onda não-controlados com entrada trifásica

O fornecimento de energia elétrica é feito, essencialmente, a partir de uma rede de distribuição em corrente alternada, devido, principalmente, à facilidade de adaptação do nível de tensão por meio de transformadores. Em muitas aplicações, no entanto, a carga alimentada exige uma tensão contínua. A conversão CA-CC é realizada por conversores chamados retificadores. 
Os retificadores podem ser classificados segundo a sua capacidade de ajustar o valor da tensão de saída (controlados x não controlados); de acordo com o número de fases da tensão alternada de entrada (monofásico, trifásico, hexafásico, etc.); em função do tipo de conexão dos elementos retificadores (meia ponte x ponte completa).
Os retificadores não-controlados são aqueles que utilizam diodos como elementos de retificação. Os diodos de potência diferem dos diodos de sinal por terem uma capacidade superior em termos de nível de tensão de bloqueio (podendo atingir até alguns kV, num único dispositivo), e poderem conduzir correntes de até alguns kA. 
Nas aplicações em que a tensão alternada é a da rede, tais diodos não precisam ter seu processo de desligamento muito rápido, uma vez que a freqüência da rede é baixa (50 ou 60 Hz).
Quando a potência da carga alimentada se eleva, via de regra são utilizados retificadores trifásicos, a fim de, distribuindo a corrente entra as 3 fases, evitar desequilíbrios que poderiam ocorrer caso a corrente fosse consumida de apenas 1 ou 2 fases. 
Neste caso a corrente é fornecida, a cada intervalo de 60 graus, por apenas 1 das 3 fases. Poderão conduzir aquelas fases que tiverem, em módulo, as maiores tensões. Ou seja, a fase que for mais positiva, poderá levar o diodo a ela conectado, na semi-ponte à condução.
As formas de onda da tensão sobre os diodos são iguais entre si e defasadas de 120º uma da outra. Na figura 12 ( b ) está desenhada a tensão sobre D1. 
Quando D1 conduz, a tensão sobre ele é praticamente zero; daí entra em condução D2, que aplica em D1 a tensão de linha V12; após D2, entra em condução D3, que aplica em D1 a tensão de linha V13. Então D1 volta a conduzir, repetindo o ciclo. A tensão reversa máxima sobre os diodos é o valor máximo da tensão de linha, 1,733 Vmax de fase.

O valor médio da tensão na carga pode ser dado pela equação ao lado.
O diagrama elétrico de um retificador meia onda não controlado com diodos discretos 1N5408 está disponível em: 24_09_19 Retificador meia onda não controlado.


A folha de dados do Diodo de Potência 6A10 está disponível em: 24_06_10 Diodo de Potência 6A10.

© Direitos de autor. 2024: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 10/05/2024


segunda-feira, 14 de outubro de 2024

Aula 22 - Diodos de Potência

Um diodo é um dos mais simples dispositivos semicondutores, que tem a característica de passagem de corrente em apenas um sentido. No entanto, ao contrário de um resistor, um diodo não se comporta linearmente com respeito à tensão aplicada, como o díodo tem uma relação exponencial IV e, portanto, não podemos descrever o seu funcionamento utilizando apenas uma equação como a lei de Ohm.
O diodo de potência são utilizados em circuitos eletrônicos de potência como retificadores (conversor CA/CC), como diodo de retorno para transferência de energia (freewheeling diode), isolador de tensão, etc.
A corrente direta máxima é limitada pela temperatura máxima da junção, acima da qual a junção é destruída. A junção também pode ser danificada por uma tensão inversa maior que a máxima (Vrm). Quando diodo comum está conduzindo, se a tensão é bruscamente invertida, as regiões p e n ainda terão portadores minoritários de carga e o diodo se comporta como um curto-circuito por um breve período de tempo. Este tempo é chamado de tempo de recuperação reversa ( trr ) do diodo. Assim, há uma corrente no sentido inverso, que pode provocar interferências e perdas. Diodos rápidos ou ultra-rápidos e têm esse fenômeno menos pronunciado, mas em geral a máxima tensão inversa é menor.
Dependendo das características de recuperação reversa e das técnicas de fabricação, os diodos de potência podem ser classificados em três categorias : Diodo de uso geral; Diodo de recuperação rápida e Diodo Schottky.

Diodo de Potência de Uso Geral
Estes diodo de uso geral apresentam um tempo de recuperação reversa relativamente alta ( ≈ 25µs ) e, são utilizados em aplicações de baixa velocidade, onde o tempo de recuperação do componente não é crítico (retificadores, conversores de baixa frequência - 1kHz , conversores com comutação pela linha). Estes diodos trabalham dentro de uma faixa que varia de 1A até milhares de ampères e de 50V até 5000V.
Os diodos de potência de uso geral apresentam além das duas camadas P e N, uma terceira camada. A camada N extra e intermediaria às duas convencionais é de baixa dopagem (N-) e sua função é aumentar a capacidade do componente quando aplicado em tensões elevadas.

Essa camada acrescenta uma parcela resistiva ao diodo quando em condução. Além disso, a área da seção transversal das junções é maior do que a de um diodo normal, pois a corrente circulante também é maior e isso agrega urna parcela capacitiva ao diodo quando em bloqueio. Essas características são indesejáveis porque introduzem distorções na forma de onda da comutação de um diodo de potência. Entretanto, como o dispositivo é suficientemente robusto, essas características não deverão afetar o seu funcionamento. Mesmo assim, é recomendável utilizar-se algumas técnicas de filtragem e amortecimento dos transientes provocados pela comutação dos diodos de potência.

Para realizar o teste de diodos com um multímetro devemos utilizar na escala de resistência, usa-se a escala Rx10 ou Rx1. Um diodo retificador ou de sinal (rápido) deve apresentar uma baixa resistência quando polarizado diretamente (cabo negativo no cátodo, pólo positivo no ânodo) e resistências quase infinitas na direção de polarização reversa. Um diodo ruim vai mostrar quase zero ohms (curto) ou abrir em ambas as direções.

Multímetros analógico tem a polaridade de suas pontas de prova nas cores invertidas sendo o fio vermelho negativo em relação ao preto. Correntes de fuga pequenas em diodo na polarização reversa, passam despercebidas. Para garantir que o diodo está bom, você deve fazer uma medição a mais: usando a escala de alta resistência (2 Mohm ou superior). Um diodo de Si bom normalmente apresentará resistência infinita. Quando estiver em dúvida, tente comparar a leitura com medições feitas em um diodo novo do mesmo tipo. 

A folha de dados do Diodo de Potência 6A10 está disponível em: 24_06_10 Diodo de Potência 6A10.

© Direitos de autor. 2018: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 10/11/2014

sexta-feira, 11 de outubro de 2024

A Evolução da eletrônica de estado sólido (Eletrônica de Potência)

O primeiro dispositivo de estado sólido, que marca o nascimento do campo tecnológico a que denominamos Eletrônica de Potência é o SCR  (Retificador Controlado de Silício), denominação dada pela General Electric, em 1958. Tratava-se de um dispositivo que tem o mesmo comportamento biestável da válvula thyratron. Por tal razão, a denominação que se estabeleceu para este dispositivo componente foi Tiristor.
O domínio sobre os processos de purificação do silício, aliado ao aprofundamento dos conhecimentos sobre os fenômenos da física do estado sólido e dos processos microeletrônicos permitiu, ao longo dos anos 60 e 70 o aumento na capacidade de controle de potência dos tiristores, atingindo valores na faixa de MVA.
Não houve, nesta fase, novas aplicações, mas principalmente a substituição de outros dispositivos pelos tiristores, com ganhos de rendimento e de desempenho, principalmente como retificador (conversor CA-CC) no acionamento de motores CC.
Em sistemas com alimentação CC, como em trens e trólebus, o uso dos tiristores enfrentou dificuldades, dada a incapacidade deste dispositivo ser desligado por ação do terminal de comando (gate). Foram desenvolvidas estratégias para possibilitar tal tipo de aplicação. São do início dos anos 60 os circuitos de comutação idealizados por William McMurray que permitiam o uso do tiristor em CC, bem como a obtenção de uma saída CA a partir da entrada CC. Tais inversores permitiriam a substituição de motores CA por motores de indução em aplicações de velocidade variável. A complexidade desses circuitos inversores e os problemas de confiabilidade restringiram fortemente as aplicações destes circuitos.
A primeira aplicação ferroviária de conversores eletrônicos de potência aconteceu no Japão em 1969, com o controle do enrolamento de campo (por meio de conversor CC-CC) dos motores CC de tração. No Brasil, a modernização dos transportes aconteceu a partir dos sistemas metroviários no final dos anos 70, ainda baseados em motores CC e conversores CC-CC. A primeira aplicação comercial de motor de indução em tração ferroviária ocorreu em 1982. 
As técnicas de comutação forçada de tiristores caíram em desuso nos anos 80, com o desenvolvimento do GTO (Gate Turn-Off thyristor), que permitia tanto o disparo quando o bloqueio controlado. Os GTOs dominaram até o final do século XX as aplicações de tração com alimentação CC, sejam com motores CC ou motores CA.
Outro campo que se beneficiou do desenvolvimento dos tiristores foi o sistema de transmissão de energia elétrica por meio de linhas em corrente contínua de alta tensão, envolvendo retificadores e inversores. A instalação do sistema CC para trazer energia da parte paraguaia de Itaipu (gerada em 50 Hz) até o sudeste do Brasil (onde se converte em 60 Hz) ocorreu nos anos 80. Ainda na área do sistema elétrico, surgiram dispositivos de compensação, como os reatores controlados a tiristor (RCT) ou o TCSC (Thyristor Controled Series Compensator), instalado no início deste século na interligação dos sistemas norte (Tucuruí) ao sistema sul. 
Diferentemente dos tiristores que, por seu modo de funcionamento se adequam à alimentação CA, os transistores têm sua melhor aplicação a partir de fontes CC. Ao desenvolvimento dos transistores bipolares de potência somou-se a evolução dos transistores de efeito de campo, principalmente o MOSFET (Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor), resultando, no final dos anos 80 no surgimento do IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Inicialmente com transistores bipolares (anos 70), passando pelos MOSFET (a partir dos anos 80) em aplicações de baixa tensão, chegando aos IGBTs nos anos 90, em uma faixa de tensão e frequência capaz de alimentar cargas na faixa de MVA, as fontes chaveadas e os inversores (conversores alimentados em CC) tiveram um enorme desenvolvimento em termos de desempenho e confiabilidade. 
O sucesso dos inversores, ao permitir o controle de velocidade dos motores de indução, a partir dos anos 90, praticamente eliminou o uso dos motores CC de escovas. É certo que ainda existem muitas aplicações com tais motores, mas os processos de troca de equipamentos sempre apresentam vantagens para o uso dos motores CA associados aos inversores.  
Outras estruturas de motores, como o motor de relutância variável, os motores de passo, os motores CC sem escovas (DC brushless) necessitam de um conversor eletrônico para seu funcionamento. Conjuga-se, deste modo o desenvolvimento dos sistemas de acionamento ao de eletrônica de potência de maneira irreversível. 
O direcionamento atual da Eletrônica de Potência tem sido em busca de processos de aproveitamento de energia mais ecologicamente adequados. Os usos de energia fotovoltaica, eólica, do hidrogênio, carecem de um processamento eletrônico para sua adequação às cargas. 

segunda-feira, 7 de outubro de 2024

Aula 21 - Leitura dos códigos e símbolos de semicondutores

Os semicondutores (transistor, diodo e circuito integrado, entre outros) também apresentam uma codificação que permite saber se o material é germânio ou silício e se o componente é um transistor ou um diodo, além de outras informações. Existem associações que elaboram essas codificações; as mais conhecidas são: Pro-Electron, Joint Electron Device Engineering Council (Jedec) e Japanese Industrial Standard (JIS).

Pro-Electron
Norma europeia de numeração de diodos, transistores e tiristores, foi originado na Europa e é amplamente utilizado para transistores utilizados aqui no Brasil. De modo geral, a regra é:
  • Primeira letra - indica o material: A: germânio (Ge); B: silício (Si); C: arsenieto de gálio (GaAs).
  • Segunda letra - identifica o tipo de componente: A: diodo de rádio frequência; B: variac; C: transistor de pequeno sinal; D: transistor de potência; E: diodo túnel; F: transistor de rádio frequência de pequeno sinal; K: dispositivo de efeito Hall; L: transistor de rádio frequência de potência; N: acoplador óptico; R: tiristor de baixa potência; T: tiristor de potência; Y: retificador; Z: diodo Zener.
  • Terceira letra - em alguns componentes, serve para informar a aplicação industrial: Pode ser W, X, Y ou Z.
  • Sufixo - indica o grupo de ganho de corrente β: A: baixo ganho; B: médio ganho; C: alto ganho; sem sufixo: qualquer ganho.
Exemplos de códigos - AD162 – Transistor de potência usado para áudio, BY133 – Diodo Retificador.

JEDEC - Joint Electron Device Engineering Council
Norma norte-americana elaborada pela JEDEC, que é uma organização comercial de engenharia de semicondutores independente e órgão de padronização, e apresenta a seguinte codificação: 
  • Primeiro número: 1 - Diodo, 2 - Transistor bipolar ou de efeito de campo de porta única, 3 -Transistor de efeito de campo de porta dupla. 
  • Segunda Letra = N.
  • Numerais subsequentes: Número de série.
  • Sufixo, indicará o grupo de ganho. 
Exemplos de códigos - 1N4001 será um diodo, 3N201 será um MOSFET, 2N2222 um transístor.

Japanese Industrial Standard (JIS)
Norma para padrões industriais japoneses utilizado no esquema de numeração de peças para dispositivos semicondutores. A norma japonesa apresenta a seguinte codificação:
  • O primeiro número indica o número de junções no dispositivo semicondutor.
  • Letras nas posições 2 e 3 indica o tipo de dispositivo semicondutor. SA: PNP, transistor de alta frequência; SB: PNP, transistor de áudio; SC: NPN, transistor de alta frequência; SD: NPN, transistor de áudio; SE: diodo; SF: tiristor; SG: Dispositivos Gunn, SH: UJT, SJ: FET/MOSFET canal P; SK: FET/MOSFET canal N; SM: Triac; SR: Retificador; SS: Diodos de sinal; ST: Diodos de Avalanche; SV: Varicaps; SZ: Diodos zener.
  • O número de série segue o primeiro dígito e as duas letras do tipo de dispositivo semicondutor.
  • Após o número de série, um sufixo pode ser usado para indicar que o dispositivo foi aprovado.
Exemplos de códigos - 2SA1187, 2SB175, 2SC733.

Outras formas de especificação
Tabela "periódica" dos componentes.
Além das normas Pro-Electron, Jedec e JIS, alguns fabricantes têm a própria forma de apresentar a especificação e a identificação de seus componentes por meio de prefixos. Veja os exemplos:

Motorola: MCR para Tiristor (ex.: MCR106), MJ para dispositivo de potência em invólucro metálico (ex.: MJ15004), MJE para dispositivo de potência em invólucro plástico (ex.: MJE13003), MPS para dispositivo de baixa potência em invólucro plástico (ex.: MPS3638), MRF para transistor para HF, VHF e micro-ondas.

Texas Instruments: TIC para tiristor em invólucro plástico (ex.: TIC106, TIC226C), TIP para transistor de potência em invólucro plástico (ex.: TIP36), TIPL para transistor planar de potência e TIS para transistor de pequenos sinais em invólucro plástico. 

Informações sobre simbologia de componentes eletroeletrônicos podem ser obtidas no link: 19_05_03 Simbologia de componentes eletroeletrônicos.

Informações sobre os terminais dos componentes eletroeletrônicos podem ser obtidas no link: 19_05_04 Terminais dos componentes eletroeletrônicos.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 02/03/2020 

terça-feira, 1 de outubro de 2024

Ex 20.5 Controle de Farol Marítimo com TImer NE555 e Tiristor BT137

Este circuito foi projetado para controlar um farol marítimo que irá piscar uma lâmpada em uma sequência simples: flashes de 6s com um intervalo de 16s.  A malha do temporizador RC é conectado ao Timer NE555 que funciona como oscilador astável para fornecer pulsos no gate do Tiristor BT137. O TRIAC pode controlar uma carga de até 1800 watts.
O circuito integrado temporizador NE555 pode ser usado com alguns componentes simples para construir um circuito astável que produz uma 'onda quadrada'. Esta é uma forma de onda digital com transições nítidas entre baixa (0V) e alta (+ Vs), as durações dos estados baixo e alto podem ser diferentes. O circuito é chamada de astável porque não é estável em qualquer estado: a saída está em constante mudança entre 'baixo' e 'alto'.
O período de tempo (T) da onda quadrada é o tempo para um ciclo completo, mas muitas vezes é melhor considerar a frequência (f) que é o número de ciclos por segundo.
  • T = 0,7 × (R1 + 2R2) × C1 ;
  • f = 1,4 / (R1 + 2R2) × C1 ; 
Onde: T = período de tempo em segundos (s) ; f = frequência em hertz (Hz) ; R1 = resistência em ohms ( ohm) ; R2 = resistência em ohms ( ohm)  e C1 = capacitância em farads (F)
O período de tempo pode ser dividido em duas partes: ativado e desativado.
  • Período de tempo, T = Tm + Ts

O tempo ativado (saída alta): 
  • Tm = 0,7 × (R1 + R2) × C1
Tempo desativado (saída baixa), 
  • Ts = 0,7 × R2 × C1
É importante notar que Tm deve ser maior que Ts, já que R1 não pode ser 0 ohm (o mínimo é 1k ohm). Muitos circuitos exigem que Tm e Ts sejam aproximadamente iguais. Isto é conseguido se R2 for muito maior que R1.

O diagrama elétrico do circuito oscilador com Timer NE555 e com tiristor BT 137 para ser usado em corrente alternada e está disponível em: 24_06_12 Oscilador com NE555 e controle de carga com acoplador óptico e Triristor BT137.

© Direitos de autor. 2024: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 05/06/2024