Apostila Disparo, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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APOSTILA

DE

ELETRÔNICA

INDUSTRIAL

“CIRCUITOS DE DISPARO”

Prof.: Matusalém Martins Lanes 23/02/ 03/09/

Introdução

As chaves semicondutoras constituem os componentes de potência de uma aplicação típica em Eletrônica de Potência, porém além delas existem outros componentes que realizam tarefas importantes tanto na parte construtiva quanto nas tarefas de controle, disparo e processamento. Neste texto serão estudados alguns componentes que auxiliam as etapas de disparo ou comando das chaves semicondutoras de potência.

Componentes de comando

Como os componentes de comando são aqueles que se destinam a compor o circuito de disparo. De forma geral, todos os componentes eletrônicos podem ser utilizados, mas alguns se destacam por possuírem as características fundamentais necessárias ao circuito. Dentre eles, destaca-se:

• o resistor;
• o capacitor;
• os diodos;
• o diac;
• o ujt;
• o put;
• o amplificador operacional;
• as portas lógicas;
• o flip-flops;
• os contadores;
• os decodificadores;
• os latches;
• os temporizadores (em especial o 555);
• os transistores de pequenos sinais;
• os circuitos integrados dedicados, com o TCA 780/785;
• circuitos digitais e microprocessados.

Como pode ser visto, são grandes as quantidades de componentes, e para explicações detalhadas dos mesmos seria necessário um estudo bastante extenso e cansativo, além do que muitos dos dispositivos citados já são de conhecimento do leitor, que outrora, os estudaram em disciplinas mais específicas como circuitos elétricos, eletrônica básica e digital, etc. Pelo motivo acima citado, serão mencionados apenas alguns componentes, a saber:

Capacitor

Os capacitores são dispositivos capazes de armazenar energia elétrica, contudo, para isso eles passam por um transitório para a carga e outro para a descarga. Podem ser do tipo polarizado, como são os capacitores eletrolíticos que possuem polaridade de conexão ou ainda não polarizado como os capacitores cerâmicos e de poliéster. A Figura 1 mostra um circuito típico que permite verificar o processo de carga e descarga de um capacitor.

V

R

C

1

2

S

_

Figura 1 : Circuito básico de carga e descarga de um capacitor.

UJT (Transistor de unijunção)

É um dispositivo de 3 terminais com apenas uma junção PN cuja simbologia é mostrada na Figura 4.

Figura 4: Simbologia do UJT.

Este dispositivo pode ser representado segundo o esquema da Figura 5.

Através do circuito abaixo, verificando que o UJT está polarizado e o circuito proporcionará o funcionamento do UJT como oscilador, vamos analisar o circuito e seu funcionamento:

Funcionamento do UJT:

O capacitor inicialmente está descarregado e existe uma tensão Vx no ponto X, que é determinada pelo divisor de tensão entre as resistências rB1, rB2, RB1 e RB2 (tensão do catodo do diodo).

E

B

B

B

B

V

+Vcc

RB

R RB

C

E

B

rB

rN

rS

B1^ Vo

+Vc

RB

RB

R

C

E

rB rB

UJT

(a) (b)

B

rB

rN

rS

B

E rB (^) =Resistência interbases rB

rN = Resistência negativa

Figura 6 : Polarização do UJT. (a) Circuito usando simbologia do UJT e (b) Circuito utilizando as resistências internas do UJT.

Figura 5 : Analogia interna do UJT.

À medida que o capacitor carrega a tensão no emissor do UJT, VE, aumenta. Quando a tensão VE for maior que a tensão no ponto X somada à queda de tensão sobre o diodo, fluirá uma corrente através do diodo. A partir desse ponto a resistência negativa, rN, tem um comportamento diferente. Ela começa a reduzir seu valor até que o valor da tensão no terminal B1 chegue à tensão de vale a qual está associada a uma corrente de vale. A partir desse valor a resistência rN começa crescer até seu valor original. Vale lembrar que nesse processo, o capacitor se descarregou e o ciclo recomeça. Durante este processo as tensões sobre o capacitor e nas bases do UJT variaram segundo as formas de ondas da Figura 7.

t

t

V V Emax V D

V (^) X

V (^) V

V Omax

V Omin

T Figura 7: Formas de onda do UJT.

No momento do disparo, tem-se a seguinte relação

= +

Para um projeto rápido de um circuito com UJT, pode-se nos orientar nas equações e regras abaixo:

* Na prática: 0,4 < η <0,

T R1.C.ln

• Tipicamente, pode-se usar: RB2=100Ω e RB1=27Ω.

• Se RB1 e RB2 desprezíveis em relação a RBB, então é valido dizer: Vx=η.Vcc.

rB1 rB

rB

η =

• Para o 2N1671 e 2N2160: η

η η

(1 ).RB

.VBB

0,4.RBB

RB

• Para o 2N2646 e 2N2647: .VBB

RB

η

PUT (Transistor de unijunção programável)

O PUT é um dispositivo de 4 camadas usado para proporcionar pulsos que podem ser usados para disparar tiristores e sua simbologia é mostrada na Figura 8. As diferenças básicas PUT para o UJT é que o PUT possui maior flexibilidade em se estabelecer seu ponto de disparo, possui também maior sensibilidade e maior velocidade que o UJT.

Figura 8: Simbologia do PUT.

G

A

K

Para um projeto rápido, pode-se usar as equações e orientações abaixo:

Demonstração:

1. No momento do disparo: Vc = Vx = VRB1+VD

2. Tensão transitória no capacitor: Vc(t) Vcc.(1 eRC)

−t = +

Das condições acima, observa-se que:

Vcc

1 VRB1 0,

T R.C.ln

O valor de Rs deve ser de acordo a receber a descarga do capacitor e limitar a corrente fornecida por este para não deixar danificar o PUT.

Amplificador Operacional

O amplificador operacional é um aprimoramento do amplificador diferencial. Os amplificadores operacionais possuem normalmente 2 entradas, 2 pontos para a alimentação, 1 saída e, em alguns tipos, 2 terminais para ajuste de tensão de offset. Os amplificadores operacionais (Figura 12) aplicam um ganho na diferença das tensões de suas entradas (entrada inversora V-, e entrada não-inversora V+). O ganho em malha aberta de um amplificador é sempre um valor muito alto e de pelo menos 1.000.000. Se a alimentação é de -15 a +15 volts, um valor muito pequeno de diferença das entradas, saturaria a saída tornando o circuito utilizável para apenas algumas aplicações. Contudo, com as devidas polarizações, as possibilidades de utilização são enormes e são apresentadas a seguir, de forma simplificada, algumas das várias aplicações possíveis.

Figura 12: Simbologia do amplificador operacional.

Amplificador comparador

Para compreensão de tal configuração, é interessante entender primeiro o que é a saturação das saídas. Se um amplificador operacional é alimentado com -15 e +15V, teoricamente sua saída poderia ficar em um valor compreendido neste intervalo. Mas na prática isto não acontece, o 741 tem uma tensão de aproximadamente 2v de queda interna no dispositivo, o que, no caso acima, provocaria uma excursão máxima da saída de -13 a +13v. Na configuração comparador, como o ganho em malha aberta é altíssimo, se a tensão da entrada não- inversora (V+) for maior que a tensão da entrada inversora (V-) a saída saturará positivamente. De forma análoga, se V- for maior que V+, a saída saturará negativamente. Na Figura 13 é mostrado o circuito típico desta configuração e na Figura 14 são mostrados gráficos para uma dada situação de entradas.

Figura 13: Circuito típico de um comparador.

_

• Vc c

-Vcc

V+ Vs

V-

R

_

+Vcc

-Vcc

Vs R

V+

V-

Figura 14: Caso exemplos de ondas para uma dada configuração das entradas.

Amplificador Inversor

Uma de suas entradas é de tensão fixa e na outra entrada, aplica-se da tensão a ser amplificada e ela é realimentada com a saída. Dessa forma, o sinal da saída será amplificado e com uma defasagem de 180°, daí o nome de Inversor. O circuito e algumas formas de onda são apresentados na Figura 15 e na Figura 16, respectivamente.

Figura 15: Circuito básico da configuração inversora.

Equações básicas do circuito:

R

R

Ganho detensão Av = − (1)

( Tensão desaída ) Vs = Av. Vent (2)

Figura 16: Formas de ondas exemplo.

• Vc c

V-

V+

t

t

-Vc c

R

R

_ (^) Vs

Vent.

Vent.

Vs

t

t

Amplificador Subtrator

Como o próprio nome diz, este circuito executa a subtração dos sinais aplicados em suas entradas, aplicando seu ganho sobre a diferença. O circuito é dado abaixo:

Amplificador Diferenciador

Fornece em sua saída a diferencial do sinal de entrada. O circuito e formas de ondas são dados abaixo:

Amplificador Integrador

Fornece na saída a integral do sinal aplicado em sua entrada, conforme pode ser visto abaixo:

Re

R

R

R1 (^) R

Vs

V

V

V

R

R

V1 R

V

V

Rb

Ra

_

Vs

V1 R

V

R

R

_ (^) Vs

R

C Vent.

_ (^) Vs

R

C

Vent.

_ (^) Vs R

V V V

Vo

SeR R R R

R

V

R

V

R

V

Vo R

ConfiguraçãoInversor

V V V

Vo

SeR R ReRa

G

G V

G

G V

G

G V

Rb

Ra Vo

Configuraçãonão Inversor

V V

R

R

Vo = −

Ganhodetensão Av fR C

dt

dV Vo RC

E

= π

fR C

Ganhodetensão Av

V dt R C

Vo

t E

0

π

= − ∫

Considerações finais:

Os amplificadores operacionais possuem muitas outras características e aplicações que podem ser encontradas em vários livros. O circuito integrado 741 é um amplificador muitíssimo utilizado e suas características técnicas estão em anexo. Foi mencionado anteriormente o termo tensão de offset. A razão deste termo se dá pelo fato de que cada entrada do amplificador operacional possui um transistor próprio, daí existe uma pequena diferença nas curvas dos diodos emissores. Se forem curto-circuitadas as entradas, será forçado assim que as tensões das entradas sejam exatamente iguais contudo, aparecerá na saída uma tensão diferente de zero a qual denomina-se tensão offset da saída. Da mesma forma, se tensões das entradas forem ajustadas de forma a obter tensão nula na saída, à diferença das tensões das entradas domina-se tensão de offset da entrada.

O temporizador 555

O circuito integrado 555 (identificado na prática como o MC 1555 da Motorola, SE 555 ou NE 555 da Signetics, SN 52555 ou SN72555 da Texas) é talvez o mais versátil fabricado. Este dispositivo tem comportamento, como o próprio nome diz, de temporização o qual se dá na configuração astável ou monoestável. O 555 pode ser usado também para modulação com largura de pulso (PWM) dentre outras aplicações. Sua pinagem bem como seu diagrama interno em blocos e suas características básicas são mostrados abaixo:

Configuração Monoestável

Na configuração monoestável, a saída do 555 tem um estado estável (0V) na qual se mantém até que a entrada de disparo (pino 2) receba um pulso negativo, ou seja,Vcc para zero. Quando isto acontece a saída (pino

3. vai para o valor de Vcc (estado quase-estável) e permanece por um tempo predeterminado pelo resistor R e pelo capacitor C. O circuito e as formas de ondas são apresentados abaixo:

555

8

7

6

5

4

3

2

1

Estág io d e potência

S

R

R

R

Com parador 1

R Com p ara dor 2

Q

8 7

6

4

2

5

3

1

555

R

Vcc

C

10 Fη

Saída

Entrada de disparo

T = 1 , 1. R. C

10 Ω 14 ΜΩ

Re

100 1

6

10

5

100

(Re )

10 15

lim

3 6

lim

4 , 516

lim

K a

sistores

Fa F

Capacitordopino

F

Capacitordopino

mA

Correntedesaídamáxima graprática

mAa mA

Correntedea entaçãoestadoalto

mAamA

Correntedea entaçãonoestadobaixo

a V

Tensãodea entação

ρ η

η

O TCA 780/785 faz o controle do ângulo de disparo de 0º a 180º possuindo alimentação de 8 a 18 V. A seguir é mostrado o diagrama de blocos internos com os pinos e suas respectivas funções.

Pino 1 - Terra. Pino 2 - Saída complementar do pino 15 em coletor aberto. Pino 3 - Saída de pulso positivo em coletor aberto. Pino 4 - Saída complementar do pino 14 em coletor aberto. Pino 5 - Entrada de sincronismo (diodos em antiparalelo). Pino 6 - Inibe todas as saídas (quando aterrada). Pino 7 - Saída em coletor aberto para acionar triacs. Pino 8 - Fornece 3,1 V estabilizada. Pino 9 - Potenciômetro de ajuste da rampa (20 < R9 < 500k). Pino 10 - Capacitor de formação da rampa ( ≤ 0.5 ). Pino 11 - Entrada da tensão de controle (nível cc). Pino 12 - Controla a largura dos pulsos saídas 14 e 15. Pino 13 - Controla a largura dos pulsos das saídas 02 e 04. Pino 14 - Saída de pulso positivo no semiciclo negativo. Pino 15 - Saída de pulso positivo no semiciclo positivo. Pino 16 - Alimentação cc não necessariamente estabilizada.

Antes do estudo do funcionamento do TCA 780, é necessário verificar o comportamento da tensão em um capacitor em duas situações.

1ª Situação - Malha RC polarizada segundo o circuito abaixo (observe que existe uma fonte de tensão constante):

2ª Situação - Malha RC polarizada segundo o circuito abaixo (observe que agora exige uma fonte de corrente constante):

Observa-se que:

1. I é constante e depende da fonte;
2. C é constante e depende da fonte;
3. dv a dt (diretamente proporcional).

Isto quer dizer que se para dt = 1ms teremos dv = 3v, para dt = 2ms teremos dt = 6v, para dt = 3ms teremos dv = 9v, etc. Ou seja, a tensão no capacitor cresce linearmente. É isto que acontece no TCA 780/785, o capacitor C10 é que carregará linearmente e o resistor que determina o valor da corrente de carga do capacitor é o resistor RR.

Princípio de funcionamento

Supondo que a tensão da rede acabou de passar pelo ponto de tensão zero, então o capacitor C começa a carregar. Quando a tensão do capacitor se igualar a tensão de controle (pino11), o “comparador de disparo” muda sua saída enviando informação a “lógica de formação de pulsos” que um pulso deve ser acoplado à saída. Mas o capacitor continua se carregando até que a tensão da rede passe novamente por zero. A passagem da tensão da rede por zero é detectada pelo “detector de passagem por zero” que manda um pulso, toda vez que isto acontece ao “registrador de sincronismo” que por sua vez mandará uma tensão na base de Q1 saturando-o. Quando Q satura, ele descarrega o capacitor C10 rapidamente. Esta descarga é verificada pelo “monitor de descarga de C10” que manda informação ao “registrador de sincronismo” o qual retira a tensão da base Q1 levando-o ao corte e permitindo assim que o capacitor volte a se carregar e o ciclo recomece.

Na próxima página são mostradas algumas formas de ondas referentes ao TCA780/785 que colaboram para um melhor entendimento de seu funcionamento.

2.4 - Acoplamento entre o circuito de disparo e a etapa de potência

Para disparar um tiristor, deve-se acioná-lo a partir de um sinal gerado por um circuito que deve ser isolado de tensões altas, por razões de segurança, interferência e nível de acoplamento. Basicamente, existem duas formas de realizar este acoplamento, que são:

Optoacoplador

É constituído de um LED e um receptor foto-sensível, que recebe a luz emitida pelo LED. Este receptor foto-sensível pode ser um foto-diodo ou um foto-transistor, sendo o último mais sensível.

Transformador de Pulso

É basicamente um transformador de dimensões bastante reduzidas e construídos com tecnologia para permitir um bom desempenho ao disparar tiristores. Enquanto o optoacoplador tem a luz para produzir o acoplamento, o transformador de pulso possui o campo magnético, lembrando que ambos isolam eletricamente o circuito de disparo do circuito de potência.

2.5 - Regiões de disparo do scr

Um circuito que tenha por finalidade proporcionar o disparo deve de tiristores deve possuir algumas características:

a) considerar as variações da curva característica dentro destes limites; b) não exceder as especificações de tensão, corrente e potência do gatilho; c) assegurar que o disparo não ocorra quando não desejado, através de sinais espúrios (inclusive CC). d) assegurar que o disparo ocorrerá quando desejado.

O gráfico abaixo mostra a curva de características de limite superior e inferior associando suas áreas às respectivas relações ao disparo do dispositivo.

Curva de limite superior

Curva de limite Inferior

Curva da potência (V xI )G G

Área 1

Área 2

Área 3

Área 5

Área 4

VG

VGM

VGT

IGT IGM IG

VGM - Tensão máxima de gatilho VGT - Mínima tensão de gatilho p/disparo em qualquer temperatura IGT - Mínima corrente de gatilho para disparo em qualquer temperatura IGM - Corrente máxima de gatilho

Área 1: Representa a área onde existe incerteza no disparo do SCR. Esta área pode ser dividida em duas outras.

Uma delas representa a região onde é certo que nenhum dos SCR’S da família em questão pode ser disparado e pode ser vista acima como Área 1a. A outra representa a região onde alguns SCR’S da família disparariam e outros não, ou seja, onde existe incerteza no disparo. É válido ressaltar que esta área é limitada pela tensões e correntes mínimas que ao serem aplicadas ao gatilho garantem o disparo, bem como as curvas características de limites superiores e inferiores da família de SCR’S em questão. Pode ser notado o surgimento de duas novas especificações VGD e IGD que são, respectivamente, a máxima tensão e corrente a ser aplicada no gatilho que garante que o dispositivo não conduzirá.

Área 2: É a área onde é garantido o disparo para qualquer SCR da família. Esta área é limitada pelas tensões e correntes máximas que podem ser aplicadas ao gatilho bem como pelas curvas características de limite superior e inferior e também pela curva da potência.

Área 3: É a região que mesmo não superando os valores máximos de tensão e corrente de gatilho, superando os valores máximos de tensão e corrente de gatilho, superam todavia a potência máxima que pode ser dissipada pela junção gatilho-catodo.

Área 4: É a região que mesmo não excedendo o máximo valor de corrente e mesmo não ultrapassado a curva da potência, supera a tensão máxima que pode ser aplicada entre os terminais gatilho e catodo.

Área 5: É a região que está bem dimensionada quanto à tensão e potência, mas excede o máximo valor de corrente de gatilho.

Resumindo, pode-se dizer que a área 1 não nos dá garantia de disparo do dispositivo. A área 2 é a área com a qual deve-se trabalhar quando se quer disparar qualquer scr da família em questão. As áreas 3,4 e 5 não devem ser atingir pois sempre que for ultrapassada alguma das especificação do dispositivo, o mesmo pode ser danificado.

Á r e a 1 a Á r e a 1 b V G T V G D I G T I G D

Á r e a 1 a Á r e a 1 b V G T V G D I G T I G D Á r e a 1 a Á r e a 1 b V G T V G D I G T I G D Á r e a 1 a Á r e a 1 b V G T V G D I G T I G D

Área 1a

Área 1b

VG

VGT

VGD

IGD IGT IG