MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO

FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

PROGRAMA DE EDUCAÇÃO TUTORIAL ENGENHARIA ELÉTRICA

CURSO BÁSICO DE ATPDRAW 5.7

ATP – Alternative Transient Program

Apostila preparada pelos Petianos do curso de Engenharia Elétrica/UFMT:

Adriano Aparecido de Oliveira

Antonio Carlos Curriel Manzoli

Elian João Agnoletto

José Alberto da Cruz Júnior

Leandro Leppaus Leite

Rodolfo Quadros

Orientados pela Tutora:

Dra. Walkyria Krysthie Gonçalves Martins

Sumário

4. DIODO ....................................................................................................................................... 4

4. CHAVES ..................................................................................................................................... 7

4. TIRISTORES............................................................................................................................. 15

4. DIODO →Estados ligados e desligados pelo circuito de potência

Um diodo é um dispositivo passivo, porém não linear. O diodo é composto por uma junção de

semicondutores com dopagem tipo p e n (junção pn), sendo que esta junção permite mais

facilmente a passagem de portadores de carga em um sentido que em outro. O diodo de um

modo geral é um dispositivo, que quando em polarização direta permite a passagem de

corrente, e em polarização reversa impede a passagem de corrente elétrica.

Simbologia de um diodo

Com a junção dos dois tipos de elementos, os elétrons e buracos na região de junção se

combinam, fazendo uma região de equilíbrio, pois houve uma troca de ligações. Com esta

junção, há o aparecimento de uma região de equilíbrio, que se chama região de depleção. Este

tipo de estrutura quando aplicada a uma tensão entre os terminais (neste caso uma tensão

chamada de VD) leva o elemento diodo a operar em três possibilidades:

Nenhuma polarização.

Polarização direta.

Polarização reversa.

Cada tipo de situação resulta um tipo de operação do elemento diodo e com estes tipos de

operações é possível projetar circuitos para operações específicas.

Pela figura, nota-se que para o

diodo há um valor da tensão

gerado pela região de depleção.

Este valor é de aproximadamente

0,7 volts e para o germânio é de

0,3 volts. Nota-se que para valores

abaixo de 0,7 há uma pequena

passagem de corrente e quando

este valor é ultrapassado há uma

passagem de níveis elevados de

corrente elétrica.

Aplicação em corrente alternada

Retificador monofásico de meia onda.

Para entender como um sinal senoidal pode ser convertido em corrente contínua, deve-se

estudar os circuitos mais básicos e este circuito é o circuito retificador de meia onda.

Para saber este valor, um estudo do comportamento do sinal sobre o circuito deve ser feito.

Considerando um diodo ideal, a corrente circula pelo circuito no sentido positivo. Como o

circuito se comporta como um curto no ciclo positivo.

Forma de onda na fonte, carga e diodo

Simulando no ATPdraw5.7

Formas de onda

Retificador monofásico de onda completa – circuito em ponte

Outro retificador muito usado é o retificador em ponte. Este tipo de estrutura é usado por não

necessitar de um transformador com um tap central e a tensão aplicada no diodo é apenas o

valor da fonte.

(f ile diodo_retif icador_meia.pl4; x-var t) v:FONTE

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[V]

Tensão da Fonte

(f ile diodo_retif icador_meia.pl4; x-var t) v:CARGA

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[V]

Tensão na Carga

Analisando o sentido positivo da fonte, os diodos 1 e 4 ficam abertos e dos diodos 2 e 3 se

comportam como um curto.

Comportamento do sentido positivo da fonte.

Comportamento do sentido negativo da fonte.

Simulando no ATPdraw5.7

Formas de onda

4. CHAVES → Ligados e desligados pelos sinais de controle Chaves controladas: TJB,

MOSFET, GTO E IGBT

As chaves mais utilizadas são:

Transistores de Junção Bipolar( TJB);

Metal Oxido Semicondutor Field Effect Transisttor (MOSFET);

Gate Turn-Off Thyristor (GTO)

Insulate Gate Bipolar Transistor (IGBT)

Transistores de Junção Bipolar( TJB)

Os transistores bipolares (TJB´s) são dispositivos que possuem três terminais onde um sinal de

baixa potência aplicada entre dois terminais, permite controlar dispositivos de alta potencia.

Basicamente um transistor é a junção de uniões PN (a mesma junção dos diodos), capazes de

controlar a passagem de uma corrente. Podem ser de dois tipos, de acordo com as uniões: PNP

ou NPN.

B→ Base

C→ Coletor

E → Emissor

(f ile diodo_retif icador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0001-XX0002

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[V]

Tensão da Fonte

(f ile diodo_retif icador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0003-XX0004

0 10 20 30 40 50[ms]

0

30

60

90

120

150

180

[V]

Tensão da Carga

Princípio de funcionamento

Para entender como é o comportamento do fluxo de elétrons destes dispositivos, há a

necessidade de se entender como funciona. Para um melhor entendimento se tomou o

transistor do tipo NPN.

A base é a parte que controla a passagem de

corrente; quando a base está energizada, há

uma passagem de corrente do coletor para

o emissor, quando não ha sinal na base, não

existe essa condução. A base

esquematicamente é o centro do transistor.

O coletor é uma das extremidades do

transistor: é nele que "entra" a corrente a

ser controlada ou, seja é nesta conexão onde os dispositivos a serem controlados são

acoplados. A relação existente entre o coletor e a base é um parâmetro ou propriedade do

transistor conhecido como ß (beta ou hfe) e é diferente para cada modelo do mesmo.

O emissor é outra extremidade, por onde sai a corrente que foi controlada.

Algumas características que se deve observar nos transistores:

A voltagem máxima entre base e coletor.

Potência máxima dissipável (no caso do seu uso para controle de potência)

A frequência máxima.

Para o funcionamento do transistor tipo NPN, deve-se analisar a figura abaixo.

Desta forma se for aplicado um potencial entre os terminais B e E e este

potencial for maior que 0,7 volts, esta junção BE é dita com polarização

direta. Já na outra junção se for aplicado um potencial entre BC e este

potencial for contrário á junção ou, seja para um potencial VBC menor

que zero, haverá um fluxo contrário de elétrons e este fenômeno é dito que a junção está

polarizada reversamente.

Pode-se ver claramente o sentido da corrente fluindo pelo circuito e

desta forma ter a primeira equação das correntes resultantes. A

equação(IE= IC+ IB) mostra as correntes envolvidas nos transistor NPN,

aplicando a lei das correntes em um ponto.

Na mesma Figura, se for colocado o transistor a um traçador de curva,

pode-se observar os valores das correntes e tensões em certos pontos

e além disto saber em qual região está operando o transistor. Desta forma o gráfico abaixo,

ilustra quando um transistor dito base comum, (Base aterrada ver figura) está submetido a

uma traçador de curva. Analisando a gráfico, pode-se claramente observar que duas correntes

são praticamente iguais e estas correntes estão descritas pela equação(IE= IC). Vale a pena

salientar que, a junção base emissor, se comporta como fosse um diodo com uma queda de

tensão de 0,7 volts.

A Corrente de base é a que colocar o transistor operando em uma determinada região de

operação. A partir desta corrente e o ß do transistor, se pode chegar as seguintes relações:

IC= ß * IB

IE= (ß+1) * IB

No gráfico pode-se ver que há três regiões de operação para um transistor. Estas regiões são:

Região Ativa

Região de Corte

Região de Saturação

Metal Oxido Semicondutor Field Effect Transisttor (MOSFET)

É um dispositivo controlado por tensão, com elevada impedância de entrada. O dispositivo

entra em condução com uma tensão VGS acima da tensão limite VT.

O tempo de chaveamento é muito curto, na faixa de dezenas de nanosegundos a centenas de

ns dependendo do tipo escolhido.

Regiões de operação

Dependendo da polarização dos 4 terminais do transistor, definem-se basicamente 3 regiões

de operação do mesmo: corte, linear e saturação. O transistor nMOS funciona com tensões

de porta e dreno positivas em relação à fonte, passando corrente positiva do dreno para a

fonte. O transistor pMOS por outro lado, funciona com tensões de porta e de dreno negativas

em relação à fonte, passando corrente negativa do dreno para a fonte. Apresentaremos nossa

análise, considerando transistores tipo nMOS.

Para tensão de porta menor que a tensão de limiar, VT, do transistor, a densidade de cargas no

canal é nula ou muito pequena. Desta forma, a corrente que fluirá entre dreno e fonte

também será nula ou muito pequena (desprezível em escala linear). Nestas condições, o

transistor está em região de corte, ou ainda, em região sub-limiar. Para tensão de porta acima

do valor da tensão de limiar e tensão de dreno com valor pequeno, o transistor está na região

linear ou também chamado de região triodo. Nesta região, a corrente é diretamente

proporcional às tensões de porta e de dreno. Como a densidade de cargas no canal é

diretamente proporcional à tensão VGS, a condutância, ou a corrente IDS, entre dreno e fonte,

também segue esta mesmo relação com VGS. No entanto, como mostraremos no próximo

item, a condutância de canal apresenta uma dependência com a tensão de dreno. Mais

especificamente, a condutância diminui com a tensão VDS, resultando num aumento não

linear da corrente IDS com VDS.

Agora, quando a tensão de dreno, VDS, passa de um certo valor, a corrente IDS, fica

aproximadamente constante. Esta região é a chamada de saturação. A tensão VDS a partir da

qual a corrente satura, é chamada de tensão de saturação, VDssat esta tensão apresenta uma

dependência com a tensão de porta aplicada.

Gate Turn-Off Thyristor (GTO)

O GTO, embora tenha sido criado no início da década de 60, por problemas de fraco

desempenho foi pouco utilizado. Com o avanço da tecnologia de construção de dispositivos

semicondutores, novas soluções foram encontradas para aprimorar tais componentes, que

hoje ocupam significativa faixa de aplicação, especialmente naquelas de elevada potência,

uma vez que estão disponíveis dispositivos para 5000V, 4000A.

Princípio de funcionamento

O GTO possui uma estrutura de 4 camadas, típica dos componentes da família dos tiristores.

Sua característica principal é sua capacidade de entrar em condução e bloquear através de

comandos adequados no terminal de gate. O mecanismo de disparo é semelhante ao do SCR:

supondo-o diretamente polarizado, quando a corrente de gate é injetada, circula corrente

entre gate e catodo. Grande parte de tais portadores, como a camada de gate é

suficientemente fina, deslocasse até a camada N adjacente, atravessando a barreira de

potencial e sendo atraídos pelo potencial do anodo, dando início à corrente anódica. Se esta

corrente se mantiver acima da corrente de manutenção, o dispositivo não necessita do sinal de

gate para manter-se conduzindo.

A aplicação de uma polarização reversa na junção gate-catodo pode levar ao desligamento do

GTO. Portadores livres (lacunas) presentes nas camadas centrais do dispositivo são atraídos

pelo gate, fazendo com que seja possível o restabelecimento da barreira de potencial na

junção j2.

Aparentemente seria possível tal comportamento também no scr. as diferenças, no entanto,

estão no nível da construção do componente. o funcionamento como GTO depende, por

exemplo, de fatores como:

• facilidade de extração de portadores pelo terminal de gate - isto é possibilitado pelo uso de

dopantes com alta mobilidade;

• desaparecimento rápido de portadores nas camadas centrais - uso de dopante com baixo

tempo de recombinação. Isto implica que um GTO tem uma maior queda de tensão quando

em condução, comparado a um scr de mesmas dimensões;

• suportar tensão reversa na junção porta-catodo, sem entrar em avalanche menor dopagem

na camada de catodo;

• absorção de portadores de toda superfície condutora - região de gate e catodo muito

interdigitada, com grande área de contato.

Diferentemente do SCR, um GTO pode não ter capacidade de bloquear tensões

reversas existem 2 possibilidades de construir a região de anodo: uma delas é utilizando

apenas uma camada p+, como nos scr. neste caso o GTO apresentará uma característica lenta

de comutação, devido à maior dificuldade de extração dos portadores, mas suportará tensões

reversas na junção j2. A outra alternativa, mostrada na figura 1.10, é introduzir regiões n+ que

penetrem na região p+ do anodo, fazendo contato entre a região intermediária n- e o terminal

de anodo. Isto, virtualmente, curto-circuita a junção j1 quando o GTO é polarizado

reversamente. No entanto, torna-o muito mais rápido no desligamento (com polarização

direta). Como a junção j3 é formada por regiões muito dopadas, ela não consegue suportar

tensões reversas elevadas. Caso um GTO deste tipo deva ser utilizado em circuitos nos quais

fique sujeito a tensão reversa, ele deve ser associado em série com um diodo, o qual

bloqueará a tensão.

Insulate Gate Bipolar Transistor (IGBT)

O IGBT é um semicondutor de potência que alia as características de chaveamento

dos transistores bipolares com a alta impedância dos MOSFETs apresentando baixa tensão de

saturação e alta capacidade de corrente. O IGBT destaca-se por possuir alta eficiência e rápido

chaveamento.

O IGBT possui algumas vantagens e desvantagens da combinação MOSFET e TJB.

Possui elevada impedância de entrada, como o MOSFET.

Potências mais elevadas disponíveis no mercado, quase as encontradas com o TJB.

Admite tensão negativa, como o GTO.

Frequência de chaveamento menor do que o MOSFET, ordem de 1 s para um

dispositivo de 1200V e 100A.

O IGBT é frequentemente utilizado como uma chave, alternando os estados de condução

(On state) e corte (Off-state) os quais são controlados pela tensão de porta, assim como em

um MOSFET. Se aplicarmos uma pequena tensão de porta positiva em relação ao emissor, a

junção J1 ficará reversamente polarizada e nenhuma corrente irá circular através dessa junção.

No entanto, a aplicação de uma tensão positiva no terminal de porta fará com que se forme

um campo elétrico na região de óxido de silício responsável pela repulsão das lacunas

pertencentes ao substrato tipo P e a atração de elétrons livres desse mesmo substrato para a

região imediatamente abaixo da porta.

Enquanto não houver condução de corrente na região abaixo dos terminais de porta, não

haverá condução de corrente entre o emissor e o coletor porque a junção J2 estará

reversamente polarizada, bloqueando a corrente. A única corrente que poderá fluir entre o

coletor e o emissor será a corrente de escape (leakage).

Uma característica desta região de operação é a tensão direta de breakdown,

determinada pela tensão breakdown da junção J2. Este é um fator extremamente importante,

em particular para dispositivos de potência onde grandes tensões e correntes estão

envolvidas. A tensão de breakdown da junção J2 é dependente da porção mais fracamente

dopada da junção, isto é, a camada N- . Isto s deve ao fato de que a camada mais fracamente

dopada resulta em uma região de depleção desta junção mais larga. Uma região de depleção

mais larga implica em um valor máximo de campo elétrico na região de depleção que o

dispositivo poderá suportar sem entrar em breakdown mais baixo, o que implica no fato de

que o dispositivo poderá suportar altas tensões na região de corte. Esta é a razão pela qual a

região N- da região de arrastamento é mais levemente dopada que a região tipo P da região de

corpo (Body). Os dispositivos práticos geralmente são projetados para possuírem uma tensão

de breakdown entre 600 V e 1200 V.

Ao aplicarmos uma tensão entre porta e emissor do dispositivo, fazendo a porta possuir uma

tensão positiva com relação ao emissor, uma corrente de pequena intensidade e de curta

duração circula pela porta de forma a carregar a capacitância parasita que existe entre a porta

e a porção semicondutora logo abaixo do terminal de porta. Como já foi dito, a tensão faz com

que um campo elétrico apareça entre o terminal de porta e a porção de semicondutor p logo

abaixo da porta. Este campo elétrico atrai alguns elétrons livres da própria região tipo p e

alguns elétrons livres das porções n+ localizadas dentro desse substrato p, em virtude do fato

de essa região estar fortemente dopada. Ao aumentarmos a tensão entre a porta e o emissor,

conseqüentemente, aumentaremos esse campo elétrico e mais portadores negativos serão

atraídos para a região imediatamente abaixo do terminal de porta.

Quando a tensão entre a porta e o emissor atinge um determinado valor limite – que depende

do dispositivo – conhecida como tensão de limiar (threshold voltage), simbolizada por Vth, a

quantidade de elétrons livres atraídos pelo campo elétrico é tamanha que a região

imediatamente abaixo da porta acaba por se transformar do tipo p para o tipo n, fenômeno

conhecido como inversão – sendo a camada que sofreu o processo recebe o nome de camada

de inversão, mais comumente conhecida como canal.

Com a formação deste canal, temos uma ligação do tipo n entre a pequena região n+ e a

região de arrastamento, tal canal permite a condução de corrente através de uma pequena

região na junção J1 que estava reversamente polarizada antes de a tensão entre porta e

emissor atingir o valor limiar. Dessa forma, elétrons serão transportados através deste canal

até a região de arrastamento onde irão fazer parte da corrente que circula pela junção J3 que

está diretamente polarizada, fazendo com que o “diodo” formado pela junção J3 entre em

condução. Com este efeito, temos que a camada p+ conectada ao coletor injeta lacunas

positivamente carregadas na região de arrastamento n-.

Essa injeção de lacunas da região de arrastamento causa a modulação da condutividade da

região de arrastamento onde as densidades de ambos os portadores, elétrons livres e lacunas,

atingem valores muito mais elevados que àquela que a região n- geralmente apresenta. É esta

modulação de condutividade que dá ao IGBT sua baixa tensão de condução entre os terminais

de coletor e emissor do IGBT por causa da reduzida resistência da região de arrastamento –

isto se deve ao fato de que a condutividade de um material semicondutor é proporcional à

densidade de portadores deste material. Assim, o IGBT poderá drenar correntes elevadas com

poucas perdas de potência, assim como o que ocorre em um transistor bipolar.

Algumas das lacunas injetadas na região n- são recombinadas nesta mesma região com os

elétrons livres desta camada. No entanto, a maior parte das lacunas que alcançam a região não

se recombinam e alcançam a junção J2 que está reversamente polarizada. Assim, as lacunas

encontram um campo elétrico favorável ao seu movimento, justamente por causa da

polarização reversa da junção. Com este campo elétrico da junção J2, as lacunas serão

arrastadas por meio da corrente de difusão pela região de arrastamento atravessando a junção

J2 até serem coletadas pela região do tipo p onde está conectado o terminal de coletor.

Simulando no ATPdraw5.7

Obs: os parâmetros das chaves acima são iguais na chave 01 e 04 bem como as chaves 02 e 03

recebem parâmetros idênticos.

Inversor Monofásico

Formas de onda

Desafio: Inversor Trifásico

(f ile chave_inversor_monofasico.pl4; x-var t) v:XX0003-XX0004

0 10 20 30 40 50[ms]

0

40

80

120

160

200

[V]

Tensão da Fonte

(f ile chave_inversor_monofasico.pl4; x-var t) v:XX0001-XX0002

0 10 20 30 40 50[ms]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[V]

Tensão da Carga

4. TIRISTORES → Estado ligado pelo sinal de controle, e desligado pelo circuito de

potência;

A nomenclatura Tiristor engloba uma família de dispositivos semicondutores com

multicamadas, que operam em regime de chaveamento, tendo em comum uma estrutura de

no mínimo quatro camadas semicondutoras numa sequência P-N-P-N (três junções

semicondutoras), apresentando um comportamento funcional. Os tiristores permitem por

meio da adequada ativação do terminal de controle, o chaveamento do estado de

bloqueio para estado de condução e do estado de condução para estado de bloqueio sendo

feito pelo circuito de potência.

Silicon Controlled Rectifier (SCR)

a) Estrutura do SCR

b) Características do SCR

Principais parâmetros do SCR

VFOM →Máxima tensão direta

VROM →Máxima tensão reversa

IFAV →Máxima corrente média

IH →Corrente de manutenção

IGT →Corrente de gatilho necessária para disparar o SCR

(f ile inversor_trifasico.pl4; x-var t) v:XX0002-XX0011

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]

20

40

60

80

100

120

140

160

180

[V]

Tensão no Capacitor

(f ile inversor_trifasico.pl4; x-var t) v:X0001A-X0001B

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0[s]

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

[V]

Tensão Vab na Carga

VGT → Tensão entre G-K verificada para uma dada GTI

trr→ Tempo de recuperação do SCR

dV/dt → Taxa má’xima de variação da tensão em relação ao tempo, sem que o SCR comute do

estado de bloqueio para o estado de condução.

Triode AC (TRIAC) É um tiristor bidirecional, diferindo do SCR que é unidirecional. O triac é constituído de 6 camadas NPNPN. Pode-se dizer que o Triac é composto de dois SCR´s em forma paralela inversa, possuindo uma porta comum.

a) Estrutura do TRIAC

b) Características do TRIAC

Principais parâmetros do TRIAC

VDROM → Tensão de pico repetitivo no estado de bloqueio

ITRMS → Corrente máxima eficaz no estado de condução

IGT → Corrente de gatilho necessária para disparar o Triac

VGT →Tensão entre G-K verificada para uma dada GTI

dV/dt →Taxa máxima de variação da tensão em relação ao tempo, sem que o Triac comute do

estado de bloqueio para o estado de condução.

IH →Corrente de manutenção

Retificador Onda Completa com Tiristores

Colocar CLOSED = 0.000001 no SCR 1 e no SCR 2. Resistor de 10R.

(file retificador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0008-XX0007

0 10 20 30 40 50[ms]

0

20

40

60

80

100

[V]

Tensão no resistor (carga)

Retificador com tiristor com ângulo maior que zero (=90°)

(file retificador_onda_completa.pl4; x-var t) v:XX0008-XX0007

0 10 20 30 40 50[ms]

0

20

40

60

80

100

[V]

Forma de Onda na Carga