CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA

ELETRÔNICA INDUSTRIAL

Expedito Avelino da Silva Neto

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Fortaleza - CE2013

SUMÁRIO

1. APRESENTAÇÃO ............................................................. 3

2. DESENVOLVIMENTO...................................................... 4

3. REFERÊNCIAS DE PESQUISA...................................... 14

4. ANEXOS.......................................................................... 15

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1. APRESENTAÇÃO

Tansistores foram desenvolvido com a finalidade de economia deenergia, redução de espaço e melhor desempenho tecnológico na áreada eletrônica, mas hoje é muito utilizado na eletrônica de potência mais específicamente.

Os modelos mais utilizados na eletrônia de potência são; os UJT’s, MOSFET’s, GTO’s e os IGBT’s. tendo como particularidades específicas a capacidade de cada um em aplificar o sinal emitido eter o consumo mais reduzido de energia.

Neste trabalho estão espostas as particularidades de cada um destes quatro, os seus funcionamentos, simbologias e efeitos.

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2. DESENVOLVIMENTO

A história do transistor — também conhecido como “transístor” — começou já no tempo em que eram utilizadas válvulas nos computadores. O foco das pesquisas da época era justamente o

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aperfeiçoamento e redução do tamanho das válvulas, além do aumentode sua eficiência, pois elas consumiam muita energia.

Portanto, era necessário que as válvulas fossem substituídas por um novo componente menor e mais barato. As pesquisas militares começavam a ficar cada vez mais complexas e demandavam que os computadores tivessem seu tamanho reduzido e pudessem trabalhar emfrequências maiores. As válvulas não eram capazes disso, levando os cientistas a procurarem outros componentes.

Em novembro de 1947, os cientistas do laboratório da Bell Telephone descobriram o transistor, apesar de suas pesquisas tentarem ir para outra direção. Eles verificaram que quando aplicada certa tensão a um dos terminais do componente, o sinal que saía no outro terminal era amplificado. Sendo assim, o transistor se tornou o responsável pela amplificação de sinal, além de servir como um controlador que interrompe ou libera a passagem de corrente elétrica.

Definição

• Transistor “TRANSfer resISTOR”

– Dispositivo semicondutor que pode controlar corrente a partir de

corrente ou a

partir de tensão

– Indiretamente pode ser utilizado para controle de tensão

• Aplicações

– Amplificação de sinal

– Chaveamento de sinal

– Armazenamento de informação

UJT

O transistor de unijunção (UJT do inglês Uni-junction-

Transistor) é um

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dispositivo de três terminais, cuja construção básica é mostrada

na figura

1.0

A placa (lâmina) de silício é levemente dopada com impureza

do tipo N,

aumentando assim sua característica resistiva, com dois contatos

de base

ligados nos extremos e um bastão de alumínio ligado à superfície

oposta.

A junção PN do dispositivo é formada na fronteira entre o

bastão de

alumínio e a placa de silício N. Note que o bastão de alumínio é

juntado na

placa de silício em um ponto mais próximo do contato 2 (B2) do que

do

contato 1.

As aplicações destes dispositivos são inúmeras, dentre as

quais:

osciladores, circuitos de disparo, geradores de dente de serra,

etc.

O símbolo do transistor de unijunção é mostrado na figura

1.1.

A figura 1.2 nos mostra um arranjo de polarização típico

para um 6

transistor de unijunção.

Entre B2 e B1 cria-se uma região de alta resistividade,

denominada

resistência interbases, representada por RBB.

O circuito equivalente é mostrado na figura 1.3.

Considerações:

a) A resistência RB1 é mostrada como uma resistência variável uma

vez que variará de acordo com a intensidade da corrente IE; em um

transistor

de unijunção típico RB1 pode variar de 5kΩ para 50Ω.

b)RBB é a resistência entre os terminais B2 e B1 quando Ie = 0;

RBB

típico para os transistores de unijunção varia de 4kΩ até 10kΩ.

RBB = RB1 + RB2

c) RB1 é obtida em função de uma equação em que se considera a

taxa

de separação intrínseca. Os valores de RB1 e RB2 são determinados

pela

posição do terminal E (emissor) na lâmina de silício,

caracterizando assim a

taxa de separação intrínseca a qual é denominada “η”. Assim:

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para IE = 0

podemos então afirmar:

para IE = 0

A curva característica de um transistor de unijunção é mostrada na

figura 1.4.

OPERAÇÃO:

a) quando VE = Vp o potencial VE cairá com o aumento de IE;

nestas

condições RB1 diminui;

b) a partir do ponto de vale o aumento de IE levará o transistor

a

saturação;

c) desta forma, o ponto ideal de operação do transistor é a

região de

resistência negativa; nessa região um aumento de IE provoca uma

diminuição

de VE.

OSCILADOR DE RELAXAÇÃO BÁSICO:

O oscilador de relaxação básico é mostrado na figura 1.5.

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a) C1 carrega-se através de R1 (resistência variável); b) ao atingir Vp ocorre o disparo; aumenta IE e diminui RB1; c) C1 descarrega-se então através de RB1, fazendo então surgirpulsos entre o ponto C e terra. d) o resistor R2 tem por finalidade limitar os pulsos.

τ = R1C1 (constante de tempo de carga de C1)

τ = (RB1 + R2) C1 (constante de tempo de descarga de C1)

Veja a seguir a forma de onda das tensões na figura 1.6.

Para garantir o disparo:

Para garantir a interrupção:

No ponto de vale: IE = Iv e VE = Vv

Exemplo: supondo os valores típicos:

Calcule os valores máximo e mínimo para R1.

Solução:

Desta forma R1 deverá ter um valor situado entre 2,9kΩ e 1,45MΩ

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A freqüência livre do oscilador é dada pela fórmula:

loge = ln (logaritmo neperiano)

MOSFET

O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico), é o tipo mais comum de transistores de efeito de campo em circuitos digitais ou analógicos.

Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor (quegeralmente é o silício, mas alguns fabricantes começaram a usar uma mistura de silício e germânio). O terminal de comporta é uma camada de polisilício (sílicio policristalino) colocada sobre o canal, mas separada deste por uma fina camada de dióxido de silício isolante.

Em uso, ocorre que quando uma tensão é aplicada entre os terminais comporta (gate) e fonte (source), o campo elétrico gerado penetra através do óxido e cria uma espécie de “canal invertido” no canal original abaixo dele. Dessa forma, ele cria umcondutor através do qual a corrente elétrica possa passar. Variando-se a tensão entre a comporta e a fonte, modula-se a condutividade dessa camada e torna possível controlar o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte.

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O MOSFET possui normalmente 3 terminais: Porta,

Fonte e Dreno (ou Gate, Source e Drain respectivamente). Há dois tipos

essenciais: o canal N e o canal P, e se diferenciam basicamente

pela polarização. A corrente a ser fornecida para um circuito, que

circulará entre o terminal Fonte e o Dreno do FET, é controlada pela

tensão aplicada no terminal Porta. Este último possui uma separação

dielétrica dos outros dois, gerando portanto uma corrente quase

nula no gate, e um campo elétrico que influencia no Dreno e no Fonte.

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GTO

A característica estática do GTO é mostrada na figura abaixo.

O GTO pode entrar em condução por um pulo de corrente no gate, e

uma vez em condução não há a necessidade de manter a corrente de

gate para mante-lo conduzindo. O que diferencia o GTO do tiristor

é o fato de uma vez em condução poder retornar para o estado

bloqueado pela aplicação de uma tensão gate-catodo negativa, e

como consequência resultando em uma corrente de gate elevada.

PRINCIPAIS PARÂMETROS DO GTO

Os parâmetros do GTO quase sempre deferência de acordo com os

fabricantes dos componentes de eletrônica de potência, mas sempre

são

representados da mesma forma e significado.

• VDRXM : Tensão de pico repetitiva de estado desligado, onde é a

máxima tensão instantânea permitida no estado de desligado onde

não

poderá ser maior que DV/DT.

• IT : Corrente ( RMS ) de condução, é o maior valor de RMS da

corrente 13

que pode circular pelo GTO.

• TS : Tempo de armazenamento.

• TGQ : Tempo de desligamento onde TGQ = TS + TF.

• TGT : Tempo entre a aplicação da corrente de GATE e tempo de

disparo

a queda na tensão VAK.

• IL : Corrente de disparo; a corrente do anodo para que o GTO

entre em

estado de condução quando a corrente no GATE é desligada.

• IH : Corrente de manutenção; é a corrente no anodo onde mantém o

GTO em estado de condução com corrente zero no GATE.

• DV/DT : É a máxima taxa de crescimento no anodo para catodo em

regime direto ( vak ).

• VGRM : Nível de tensão reversa de pico no GATE de forma

repetitiva; é

a máxima tensão que permite ser aplicada na junção catodo – GATE .

• DI/DT : É a taxa de crescimento máxima que se pode aplicar no

anodo.

• I2T : Escala de capacidade de sobre-corrente não repetitiva em

se

aplicando um pulso curto.

• ITCM : Corrente de condução repetitiva controlada, onde o valor

instantâneo permitira o desligamento do GTO.

IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor

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O IGBT é aplicado em circuitos e sistemas de potência

elevadas, onde

componentes semicondutores têm que suportar tensões reversas de

alto valor

e grandes correntes no momento de chaveamento, e alta freqüência

de

comutação podemos citar como os inversores de freqüência, e

filtros ativos de

grande potencia muito utilizado em eletrônica embarcada.

O IGBT tem como principal característica a união do transistor

bipolar de

potencia com sua grande velocidade de comutação, e do MOSFET com

sua

alta impedância de entrada.

IGBT E SUA ESTRUTURA FÍSICAPossui semelhança com a estrutura do transistor MOSFET, porém

no IGBT as

regiões P e N possui uma dupla difusão.

Figura 3 – Estrutura das camadas Semicondutoras do IGBT

Figura 4 – Estrutura física do IGBT

COMPARAÇÃO DE ESTRUTURA DO IGBT COM A DO MOSFET

O IGBT se difere do MOSFET por possuir uma camada de substrato

p+

onde torna a região fortemente dopada com dopante tipo p, onde

esta camada

p+ ira incluir mais portadores positivos as chamadas lacunas na

região de 15

arraste igualando ao transistor bipolar PNP, o transistor bipolar

de GATE

isolado por possuir alta velocidade de comutação são utilizado

como chave,

onde localizam os estados ON – STATE (conduzindo) , E OFF – STATE

( cortado), sua construção se assemelha ao MOSFET, e funcionara

como o

MOSFET de canal n conectado ao bipolar PNP.

Suas principais utilizações são em equipamentos de potência

como

conversores de freqüência, inversores, essa sua característica

contribui o uso

em tração metroferroviária devido a sua boa performance se em

alimentação

de motores de indução (gaiola de esquilo).

Proteção contra tensões reversas é feita com ligação de diodos em

paralelo entre coletor e emissor, com isso pode se evitar danos

devido

elevadas tensões reversas aplicadas ao dispositivo.

Figura 5 – Estrutura do MOSFET

CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DOS IGBT

Comando com fonte igualando se ao MOSFET (transistor de efeito

de

campo metal oxido de silício), em sua região de trabalho o VGE

( tensão entre

e gate e emissor ) na faixa de 12v a 20 v, isto irá resultar uma

tensão entre 16

8coletor e emissor de ligamento (VCEON) menor, e irá reduzir as

chamadas

perdas de condução, possui coeficiente de temperatura positiva,

onde irá

facilitar condições de ligações paralelas.

Aplicando tensão entre GATE e emissor (VGE) o transistor

bipolar de

GATE isolado começa a conduzir correntes em nível positivo, quando

retira se

tensão entre o GATE e o emissor o transistor bipolar de GATE

isolado entra em

corte e será bloqueado, e começa a suportar nÍveis de tensões

reversas

negativas, e o tempo nas comutações será maior que nos transistor

de efeito

de campo metal oxido de silício, aceitando e se adaptando a boa

utilização em

tração metro / ferroviária onde se aplica altas tensões entre

coletor e emissor.

CARACTERISTICAS DINÂMICAS DO IGBT

• TD (ON ) : Retardo na entrada para condução.

• TR : Tempo de subida da corrente de coletor ( IC ).

• TD ( OFF ) : Retardo em seu bloqueio.

• TF : Tempo de descida da corrente de coletor ( IC )

Corrente de carga geralmente esta em aproximadamente em 20% de

TOFF,

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onde ira controlar e limitar o crescimento da freqüência em

operação.

INVERSORES DE TENSÃO UTILIZANDO IGBT

Para os processos de montagem de filtros ativos de alta

potencia em sistemas

de transmissão de energia elétrica (HVDC), geralmente esta se

usando em

ritmo acelerado os IGBT na construção dos inversores de tensão/

freqüência e

filtros ativos devido a sua facilidade de operação em grandes

freqüências de

comutação, o controle nas tensões ( pulsos ) nos GATEs são

realizados

através de maquinas de estados finitos, circuitos lógicos

programados ou

microprocessadores.

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3. REFERÊNCIAS DE PESQUISA

ARTIGOS / MATÉRIA DE JORNAL EM MEIO ELETRÔNICO (INTERNET)

Exemplo:

Disponível em < http://www.revistaferroviaria.com.br/premios/ALSTOM2011/AS-VANTAGENS-DO-IGBT-SOBRE-O-GTO-NA-TRACAO-METRO.pdf >.Acesso em 28/10/2013.

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Disponível em < http://labdegaragem.com/profiles/blogs/tutorial-conhe-a-e-utiliza-mosfets>.Acesso em 28/10/2013.

Disponível em < http://www.conquista.ifba.edu.br/attachments/309_Mosfet.pdf>.Acesso em 28/10/2013.

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4. ANEXOS

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Figura1.0

Figura1.1

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Figura1.2

Figura1.3

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Figura1.4

Figura1.5

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Figura1.6