NOTAS DE AULAS

ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

UNIDADE II – CONVERSORES CA/CC

RETIFICADORES NÃO CONTROLADOS

Prof. Flávio Maurício de Souza,Msc 2/2004

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2.1 – INTRODUÇÃO Um retificador é um circuito que converte um sinal alternado, AC em um sinal unidirecional, DC. São bastante usados industrialmente podendo ser classificados de acordo com o sistema de alimentação alternado de entrada (nonofásico ou polifásico ) e com a possibilidade de variação da tensão de saída (controlado ou não controlado). Um retificador é um potente processador que fornece um sinal de saída com uma quantidade mínima de harmônicos. Ao mesmo tempo, ele deve manter a corrente de entrada na forma senoidal tanto quanto possível e em fase com a tensão de tal forma que o fator de potência seja próximo da unidade. Portanto, embora o sinal de saída seja contínuo, ele contém harmônicos. A qualidade da conversão de potência de um retificador requer a determinação do conteúdo harmônico presente na corrente de entrada e na tensão e corrente de saída. A aplicação da série de Fourier ajudará na determinação desses harmônicos. PARÂMETROS Há diferentes tipos de circuitos retificadores sendo que a sua performance é normalmente avaliada em termos dos seguintes parâmetros: 1) Valor médio da tensão de saída (carga) – VDC, EDC, VMED 2) Valor médio da corrente de saída (carga) – IDC, IMED 3) Potência DC de saída - PDC = PMED = VDC . IDC 4) Valor RMS da tensão de saída - VRMS (RL) 5) Valor RMS da corrente de saída - IRMS (RL) 6) Potência RMS de saída – PRMS(RL) = VRMS (RL) x IRMS (RL) 7) Eficiência do retificador - η = (PDC/ PRMS(RL) ) x 100% 8) A tensão de saída pode ser considerada como sendo composta por duas componentes: DC + AC ou ripple

VAC é o valor eficaz da componente alternada presente na saída ( ripple). VAC = (VRMS

2 – VDC2 )1/2

9) FATOR DE RIPPLE, FR é uma medida da ondulação da saída e é definda como:

FR = (VAC / VDC) x 100% 10 ) FATOR DE UTILIZAÇÃO DO TRANSFORMADOR , FUT FUT = (PDC / VS. IS) x 100% Onde VS e IS são respectivamente os valores eficazes, RMS, da tensão e corrente no secundário do transformador. 10) Considerando as formas de onda abaixo, onde vS é a tensão senoidal de entrada, is é a corrente instantânea de entrada e Is1 é a sua componente fundamental, tem-se: Ângulo de deslocamento φ - É o ângulo entre a componente fundamental da corrente de entrada e a tensão de entrada. Fator de deslocamento FD FD = Cosφ

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12) FATOR DE POTÊNCIA, FP É definido como: FP = (VS.IS1/ VS.IS) x Cos φ ou FP = (I S1/IS) Cos φ ou ainda FP = P/S onde P é a potência é potência absorvida pela carga ( IRMS

2(RL)

x R) e S é a potência aparente de entrada ( secundário do transformador, VS.IS) 13) FATOR HARMÔNICO, FH da corrente de entrada É definido como: FH = [(I S2 – I S1

2)/ I S12 ] 1/2

Ou FH = [(IS / I S1) – 1] 1/2 OBSERVAÇÕES: • FH é uma medida da distorção da forma de onda e é também conhecido como Distorção Harmônica Total

(THD) • Se a corrente de entrada IS é puramente senoidal, IS1 = IS e o FP é igual a FD. O ângulo φ torna-se o

ângulo da impedância . • Um retificador ideal deve Ter: η = 100% VAC = 0 FR = 0% FUT = 1 FH = 0 FP = FD = 1

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2.2 - RETIFICADORES MONOFÁSICOS - REVISÃO

A) MEIA-ONDA (CARGA R , R+L, R+L+E)

ESTUDO PARA CARGA R+L

• Devido à presença da indutância, o diodo não se bloqueia quando ωt = π. O bloqueio ocorre no ângulo β, que é superior a π.

• Enquanto a corrente não se anula, o diodo se mantém em condução e a tensão de carga, para ângulos superiores a π, torna-se instantaneamente negativa.

• A corrente na carga, i0 é obtida pela solução da equação diferencial:

VS = L dtdi

+ VR onde VS = Vmax Sen ωt

• A solução da equação diferencial é representada pela expressão:

i0 = Z

V max Sen (ωt - φ) – I (o) e

t σ/−

onde

φ = arc tg RXL

; XL = ωL = 2 π fL ; σ = RL

e Z é a impedância da carga

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Analisando a solução, pode-se notar que a corrente de carga é composta de duas componentes distintas, representadas pelas equações abaixo:

I1 = Z

V max Sen (ωt - φ)

I2 = - I (o) e t σ/−

A componente I1 representa a parcela transitória da corrente e a componente I2 representa a resposta em regime permanente da carga R+ L submetida à tensão alternada da rede. O gráfico abaixo representa as duas componentes e também corrente resultante i0.

As condições de contorno podem determinar o valor de I(o).

Assim para t = 0, tem-se i0 = 0 ⇒ I(o) = Z

V max Sen (- φ) e portanto:

i0 = Z

V max[ Sen (ωt - φ) - Sen (- φ) ] e t σ/−

• Para que se possa estabelecer o valor médio da tensão na carga, é necessário que se conheça o ângulo de corte β .

• Para i0 = 0 ⇒ ω t = β • Substituindo na expressão da corrente, teremos:

Sen(β - φ) + Sen (φ) . e = 0 wσβ /−

Como ω σ = ωL/R = tg φ, pode-se escrever:

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Sen(β - φ) + Sen (φ) . = 0 e tgφβ /−

• Esta função implícita, ao ser resolvida numericamente, dá como resultado a curva mostrada abaixo.

B) ONDA COMPLETA (CARGA R , R+L, R+L+E)

2.3 – RETIFICADORES POLIFÁSICOS NÃO CONTROLADOS

A) MEIA – ONDA

Diagrama básico e formas de ondas

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B) ONDA COMPLETA Diagrama básico e formas de ondas

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2.4 CARACTERÍSTICAS DOS DIODOS DE POTÊNCIA INTRODUÇÃO Os diodos são componentes semicondutores unidirecionais em corrente. São formados por duas camadas semicondutores tipo P e N colocadas em contato formando uma junção PN. A camada P recebe o nome de Anodo e a N de Catodo. Ficarão polarizados diretamente se o anodo estiver a um potencial mais positivo do que o catodo (0,6 Volts para materiais de silício e 0,2 Volts para germânio). Caso contrário estarão polarizados reversamente. Portanto só conduzirão em um sentido. Durante a condução, a queda de tensão sobre eles permanecerá praticamente constante (0,6 ou 0,2 volts) independente da corrente. São aplicados em vários circuitos eletrônicos como retificadores, limitadores, detetores, isolamento, etc. Eles podem ser classificados em duas categorias: diodo de sinal e diodo de potência. A diferença fundamental entre eles é que o diodo de potência tem capacidade de manipular correntes e tensões mais elevadas do que os diodos de sinal. Porém a capacidade de resposta de frequência ou velocidade de chaveamento é baixa quando comparada aos diodos de sinal. Um diodo ideal apresentará queda de tensão nula durante a condução (chave fechada) e corrente nula durante o bloqueio (chave aberta), além de uma mudança de estado instantânea (ton=trr=0). Esta característica ideal muitas vezes é considerada, porém em muitas aplicações (como alta velocidade de chaveamento) não se pode assumir esta condição. CARACTERÍSTICAS Na operação de um diodo podemos ter duas situações: condução e comutação Estas duas situações são ilustrados abaixo através das formas de onda de corrente e tensão para um diodo ideal e real respectivamente.

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Condução A injeção brutal de portadores dentro da junção proporciona a aparição de uma sobretensão entre o anodo e o catodo que em alguns casos pode atingir a 40 volts e de um atraso na plena condução do diodo. O que explica estes dois fatos é a existência de uma variação da resistência do diodo. O tempo de atraso pode variar de 0,1 a 1,5 µS e pode ser minimizado com emprego de diodos rápidos. Porém, normalmente este tempo é negligenciado. A sobretensão dependerá de di/dt. Comutação Durante a condução, uma carga elétrica Qs é armazenada a nível de junção. No momento do bloqueio, esta carga deve ser evacuada a fim de que o diodo recupere seu bloqueio inverso. Qs = Qrr + Qr Onde Qr é evacuada por recombinação e Qrr é evacuada pela circulação de corrente reversa (devido a portadores minoritários)

A corrente em um diodo polarizado diretamente é devido a portadores minoritários e majoritários. Uma vez que um diodo está no modo de condução direta e então sua corrente direta é reduzida a zero (devido a um comportamento natural do circuito ou por aplicação de uma tensão reversa), o diodo por um curto intervalo de tempo continua a conduzir devido aos portadores minoritários que permanecem armazenados na junção PN. Estes portadores requerem um certo tempo para se recombinarem com cargas opostas e serem neutralizados. Este tempo é chamado de tempo de recuperação reversa (Trr) . A figura a seguir mostra o comportamento do diodo na entrada em bloqueio em um circuito típico de eletrônica de potência (indutores e polarização reversa)

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Análise do gráfico Fase 1 (0 < t < t1) A corrente é ainda no sentido direto (If) mas decrescente caracterizada por uma velocidade de variação dif/dt determinada pela indutância L. Como o diodo está conduzindo, toda a tensão Vr aparece nos terminais de L. Fase 2 (t1 < t < t2) – Dissipação da carga armazenada na junção, Qrr No instante t1, a corrente se anula para mudar de sentido devido à descarga do capacitor Ct (que representa uma capacitância intrínseca da junção) que possui a carga Qrr armazenada durante a condução do diodo. Quando a carga Qrr se anular atingiremos o instante t2. Portanto a superfície hachurada representa a carga evacuada pela corrente inversa. Neste instante o diodo se bloqueia e a corrente inversa atinge um valor máximo IRM que é um fator importante no projeto de conversores. Também neste instante há uma mudança de esquema equivalente. A corrente inversa Ir que então começa a diminuir corresponde à carga da capacitância equivalente, Ct, necessária para a reconstituição da barreira de potencial do diodo. Fase 3 (t2 < t < t3) – Reconstituição da barreira de potencial Neste intervalo a tensão inversa aplica ao diodo terá uma sobretensão pois: Até o instante t3 quando Ir se anula. Então teremos, Va = -Vr e esta terminado o processo de bloqueio. Nesta fase podem acontecer dois comportamentos pois Ct, a indutância e a resistência do circuito formam um circuito RLC série que dependendo dos valores pode ter um amortecimento rápido ou lento (soft) .

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O valor de Qrr é dado pelo fabricante do diodo, o valor de dif/dt depende do circuito e é estabelecido pelo projetista. Segundo as expressões acima, tanto o tempo de recuperação do diodo como o valor de IRM depende de Qrr. Quanto menor Qrr mais rápido será o diodo. Os diodos considerados rápidos apresentam Trr menor que 200 nS. Estes diodos são do tipo de Schottky que praticamente, devido a sua construção, não apresentam Qrr e portanto possuem um Trr bastante reduzido. As suas aplicações são limitadas se comparadas com as dos outros diodos mais lentos.

De um modo geral, os diodos de potência podem ser separados em três classes: • Diodos Schottky: Devido a sua pequena queda de tensão direta e alta velocidade, são muito

empregados em conversores com pequenas tensões de saída (fontes chaveadas e conversores CC-CC). São disponíveis com especificações de tensão até 100V e especificações de corrente desde alguns amperes até centenas de amperes nos dispositivos de menor tensão;

• Diodos de frequência de linha: ou simplesmente diodos de linha, são projetados para

possuírem a menor queda de tensão direta possível, a fim de minimizar as perdas por condução, e por isso são bastante lentos ("standard recovery"). Entretanto, como operam em 50 ou 60Hz, seu tempo de comutação não é crítico, e usualmente os manuais de fabricantes não o especificam. Esses diodos podem suportar tensões de até vários kilovolts e correntes de vários kiloamperes;

• Diodos rápidos: esses diodos são projetados para operar em altas frequências, possuindo

tempos de recuperação reduzidos. A designação "soft-recovery" é utilizada para indicar que o componente possui reduzida taxa de variação da corrente no intervalo tb da característica dinâmica (Figura 2.2). Isto é importante para minimizar sobretensões ("ringing")nas indutâncias série parasitas do circuito. Com relação ao tempo de recuperação reversa, os diodos rápidos podem ser sub-classificados como:

• Fast Recovery: Possuem trr de 200ns a 2µs • Ultrafast Recovery: Possuem trr menores que 100ns

Para efeito ilustrativo, a figura abaixo mostra os dados principais de alguns diodos de potência comerciais.

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Código VRRM IFAV VF trr

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Diodos de linha 1N5408 800V 3A 1,2V -

SKN100/12 1200V 125A 1,55V -

Diodos Rápidos

SKN3F20/8 800V 20A 2,15 250ns

SKN340F/18 1800V 400A 1,9V 2200ns

Diodos Ultra-Rápidos UF4007 1000V 1A 1,7V 50ns

MUR840 400V 8A 1,25V 50ns

BYT16P-400 400V 16A 1,5V 35ns

RHRG30120 1200V 30A 2,5V 70ns

Diodos Schottky MBRD835L 35V 8A 0,41V -

1N5822 40V 3A 0,52V -