CURSO DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS - PDF
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Sonia Mascarenhas Castro
1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ COORDENAÇÃO DE ELETRÔNICA - COELE Apostila didática: CURSO DE TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS INDUSTRIAIS Apostila didática: ELETRÔNICA INDUSTRIAL, Me. Eng. Pato Branco, PR, Brasil 2 Semestre 2006
2 Professor: Mário Lúcio da Silva Martins Contato: ou Ementa da Disciplina : Chaves semicondutoras de potência: diodo, transistor, MOSFET, IGBT, SIT, SCR, triac. Acoplamento Ótico e Galvânico. Circuito de Disparo de Semicondutores de Potência: TCA 785, UJT. Dissipadores: especificações. Conteúdo da Ementa da Disciplina : Chaves semicondutoras de potência: diodo, transistor, MOSFET, IGBT, SIT, SCR, triac. o Introdução à ; o Chaves Smicondutoras de Potência: Diodos: comutação de linha; rápidos; Schottky; Tiristores: SCR; TRIAC; GTO; LASCR; Transistores: BJT; MOSFET; IGBT; SIT; Relés de estado sólido: SSR; DIAC; Controle de fase com SCR e TRIAC; Circuitos de Proteção do Gate; Especificações e teste de chaves semicondutoras Acoplamento Ótico e Galvânico. o Transformadores de pulso; o Opto-acopladores; Circuito de Disparo de Semicondutores de Potência: o UJT; o TCA 785; o Exemplos de circuitos de controle de potência AC; Dissipadores: especificações o Dissipação Térmica o Determinação da Potência média dissipada; o Circuito térmico em regime permanente; o Circuito térmico em regime transitório; o Dissipadores e suas especificações; Objetivos gerais: Em termos gerais o papel da é processar e controlar a energia elétrica nas mais diversas formas e aplicações. Isto é obtido com a utilização de
3 circuitos especiais denominados de "conversores estáticos". Estes conversores estáticos fazem uso de dispositivos semicondutores para manipular a energia. Portanto, o objetivo principal desta disciplina é promover o conhecimento das características de funcionamento dos dispositivos semicondutores de potência. Especificar os dispositivos semicondutores de potência empregados em aplicações industriais. Além das características destes dispositivos também serão apresentados os circuitos especiais utilizados para o acionamento, proteção e dimensionamento térmico dos semicondutores. O conhecimento das características dos semicondutores e dos elementos que os circundam será fundamental para capacitação dos alunos para realização de manutenção corretiva em circuitos de potência. Metodologia: Serão ministradas aulas teóricas onde o conteúdo será exposto de forma descritiva onde as características gerais e as particularidades de cada tópico serão discutidas. Para que o conteúdo seja da disciplina seja assimilado de forma mais adequada, além das aulas teóricas, serão ministradas aulas práticas no laboratório de simulação, onde situações reais serão invocadas possibilitando ao aluno utilizar o conhecimento adquirido em sala de aula para resolver problemas do dia a dia do engenheiro. Avaliação: A avaliação se dará de modo continuado, ou seja, além das duas provas descritivas (com peso 6.0 cada), o aluno será avaliado em sala de aula através de exercícios e de trabalhos envolvendo simulação de circuitos (com peso 4.0 para cada avaliação). Bibliografia Sugerida: 1. RIBEIRO, Mauricio Eduardo Bernardino - Trad.; LANDER, Cyril W.; Eletronica industrial: teoria e aplicacoes. 2. ed. Sao Paulo: Makron Books do Brasil, c ALMEIDA, J. L.. São Paulo: Ed. Érica, PALMA, Guilherme Rebouças da. Eletrônica de Potência. São Paulo, Ed. Érica, Unidade I - 3
4 4. LEITE, Duílio Moreira. Proteção Contra Descargas Atmosféricas. São Paulo: Officina de Mydia Editora. 5. SANCHES, Durval. montagem. Rio de Janeiro: Ed. Interciência, ALMEIDA, J. L. Dispositivos Semicondutores tiristores: controle de potência em CC e CA. São Paulo: Ed. Érica. 7. BASCOPÉ, René P. Torrico; PERIN, Arnaldo José. O transistor IGBT aplicado em Eletrônica de Potência. Porto Alegre: Ed. Sagra Luzzato, Unidade I - 4
5 UNIDADE 1 CHAVES SEMICONDUTORAS DE POTÊNCIA Aula 1: 1 Introdução: A maioria dos circuitos empregados na eletrônica industrial faz uso de dispositivos semicondutores que operam como chaves as quais, idealmente, apresentam resistência infinita quando em estado de bloqueio e, resistência nula quando no seu estado de condução. Além disto, a transição entre os estados de condução e bloqueio ocorre instantaneamente sem perdas. Embora estas considerações sejam válidas e muito úteis em muitas situações e análises, é necessário para o engenheiro ter uma idéia geral sobre os aspectos físicos dos semicondutores assim como ser capaz de entender o vocabulário e as não-idealidades que dizem respeito aos fenômenos elétricos destes dispositivos semicondutores. Neste contexto é apenas necessário expor uma descrição qualitativa dos dispositivos semicondutores chaveados e seus mecanismos de funcionamento. Até os dias de hoje, grande parte dos dispositivos semicondutores tais como diodos, tiristores e transistores são baseados numa estrutura monocristalina de silício. 2 Definição de um dispositivo retificador (chave semicondutora de potência): Dispositivo retificador é aquele que permite a circulação de corrente em um único sentido. Como mostrado no diagrama da Figura 1. 3 Estrutura básica: (a) (b) Figura 1 - Diagrama de um dispositivo retificador.
6 A passagem de corrente elétrica em um meio depende da aplicação de um campo elétrico e da existência de portadores livres (usualmente elétrons) neste meio. Em metais, como o cobre ou a prata, a densidade de portadores livres (elétrons) é da ordem de 1023/cm 3, enquanto nos materiais isolantes, como o quartzo ou o óxido de alumínio, o valor é da ordem de 103/cm 3. Os chamados semicondutores, como o silício, têm densidades intermediárias, na faixa de 108 a 1019/cm 3. Nos condutores e nos isolantes, tais densidades (portadores livres) são propriedades dos materiais, enquanto nos semicondutores estas podem ser variadas, seja pela adição de impurezas de outros materiais, seja pela aplicação de campos elétricos, irradiação, etc. O material ativo a partir do qual a maioria dos dispositivos retificadores de potência são construídos é o silício. O Silício é um elemento do Grupo IV da Tabela Periódica e, portanto, possui quatro (4) elétrons na última órbita da estrutura atômica (camada ou órbita de valência). Átomos de matérias com quatro elétrons em sua camada mais externa ou ainda moléculas com a mesma propriedade, permitem o estabelecimento de ligações muito estáveis, uma vez que o compartilhamento dos elétrons externos pelos átomos vizinhos (ligação covalente), produz um arranjo com 8 elétrons na camada de valência. Em qualquer temperatura acima do zero absoluto (-273 C ou 0 K), algumas destas ligações covalentes são rompidas (ionização térmica), produzindo elétrons livres. O átomo que perde tal elétron se torna positivo. Eventualmente um outro elétron também escapa de outra ligação e, atraído pela carga positiva do átomo, preenche a ligação covalente. Desta maneira tem-se uma movimentação relativa da carga positiva, chamada de lacuna, que, na verdade, é devido ao deslocamento dos elétrons que saem de suas ligações covalentes e vão ocupar outras. Esta ionização térmica, numa estrutura pura de silício (em equilíbrio), gera o mesmo número de elétrons e lacunas. Esta estrutura pura é dita silício intrínseco e os elétrons são considerados como portadores de carga. Tanto lacunas quanto elétrons contribuem para condução, embora as lacunas apresentem menor mobilidade devido à ligação covalente. Pares de elétrons-lacunas estão continuamente sendo gerados pela ionização térmica e, para manter o equilíbrio mencionado, os pares gerados anteriormente se desfazem e tornam a se recombinar. A concentração de portadores se mantém igual e é fortemente dependente da temperatura. Para se obter um dispositivo retificador semicondutor é necessário aumentar-se muito o número de elétrons e lacunas livres. Isto pode ser obtido através da dopagem do silício. O silício dopado é chamado de Unidade I - 6
7 extrínseco e a medida que a concentração do elemento dopante aumenta, a condutividade do material resultante também aumenta. A. Semicondutores Dopados Se ao Silício for acrescido (combinado) um elemento do Grupo V (como o fósforo) haverá um elétron livre na estrutura do cristal, visto que os elementos do Grupo V possuem cinco elétrons na última órbita de sua estrutura atômica. Este elétron livre possibilita um grande aumento na condução do material. Como o elétron é uma carga negativa, o material resultante é conhecido como semicondutor do tipo N. Então um elemento do Grupo V é chamado de doador, pois este doa um elétron para aumentar a condutividade. Por outro lado, se o Silício for combinado com um elemento do Grupo III (como o alumínio ou o boro) com três (3) elétrons na última órbita, surge uma lacuna na estrutura cristalina. Esta lacuna pode receber um elétron livre e, por esta razão, é considerada uma carga positiva. O material resultante da junção do Silício com um elemento do Grupo III é conhecido como semicondutor tipo P. Então o elemento do Grupo III é chamado de receptor pois é ionizado por uma carga negativa. Em ambos os casos não se têm mais o equilíbrio entre elétrons e lacunas, passando a existir um número maior de elétrons livres nos materiais dopados com elementos da quinta coluna da tabela periódica, ou de lacunas, caso a dopagem seja com elementos da terceira coluna. Respectivamente, produzem-se os chamados materiais semicondutores tipo N e tipo P. Observa-se, no entanto, que o material permanece eletricamente neutro, uma vez que a quantidade total de elétrons e prótons é a mesma. Os elétrons em silício extrínseco do tipo N e as lacunas em silício extrínseco do tipo P são chamados de portadores majoritários, enquanto que as lacunas no silício extrínseco do tipo N e os elétrons no silício extrínseco do tipo P são chamados de portadores minoritários. Em outras palavras, quando a lacuna introduzida pelo boro (Grupo III) captura um elétron livre, tem-se a movimentação da lacuna (silício extrínseco Tipo P). Neste caso diz-se que as lacunas são os portadores majoritários, sendo os elétrons os portadores minoritários. Já no material tipo N, a movimentação do elétron excedente deixa o átomo ionizado, o que o faz capturar outro elétron livre. Neste caso os portadores majoritários são os elétrons, enquanto os minoritários são as lacunas. Unidade I - 7
8 B. Junção pn A junção pn é o local do semicondutor onde as impurezas que são utilizadas para dopar o silício (dopantes) mudam de p para n. Pode-se dizer que o diodo bipolar é gerado na junção pn, que é a base de qualquer dispositivo semicondutor. Existem vários processos que podem ser utilizados para formar uma junção pn, dentre os quais podem ser citar difusão, implantação iônica, etc. (a) Figura 2 - Diagrama da junção pn. (a) Gráfico da concentração de dopantes na junção; (b) Corte transversal da junção. A Figura 2(a) mostra a concentração de dopantes de acordo com o corte transversal da junção pn mostrado na Figura 2(b), onde N C /CC é o perfil de concentração de impurezas. A Figura 3 mostra quatro instantes de uma junção pn. A Figura 3(a) mostra os dois silícios tipo N e tipo P. A Figura 3(b) mostra a formação da camada de depleção e o fluxo dos doadores ionizados ( ) e dos receptores ionizados ( ). A Figura 3(c) mostra que o fluxo de doadores e receptores é chamado de corrente de difusão e possui o sentido do silício tipo N para o silício tipo P. A Figura 3(d) mostra que o fluxo de doadores forma uma barreira de potencial onde carga positiva formada pelos doadores ionizados se concentra numa região próxima a junção no material tipo P, enquanto que carga negativa formada pelos receptores ionizados se concentra numa região próxima a junção no material tipo N. Estas cargas fazem com que haja um fluxo de lacunas e elétrons exatamente oposto ao fluxo da corrente de difusão. Esta corrente é chamada de corrente de fuga. Estes dois fenômenos ocorrem simultaneamente e entram em equilíbrio. (b) Unidade I - 8
9 O diodo da Figura 4(a) é formado pela junção dos materiais tipo N e tipo P em um único cristal. Os elétrons livres do material tipo N e as lacunas livres do material tipo P se combinam numa região denominada de junção que se localiza na fronteira entre os dois materiais. Uma barreira de potencial é criada ao longo da junção com um valor que varia de 0,4 a 0,6 V. A região formada ao longo da barreira de potencial é denominada de camada de depleção. Quando a região p (Anodo) é colocada num potencial maior do que o potencial que se encontra a região n (Catodo), a barreira de potencial ao longo da junção se estreita e a corrente do circuito flui livremente através desta, como mostrado na Figura 4(b). Por outro lado, se a região n (Catodo) é colocada num potencial maior do que o potencial que se encontra a região p (Anodo), a barreira de potencial ao longo da junção se amplia. Isto ocorre porque os elétrons da região n são atraídos para o potencial positivo externo, enquanto que as lacunas da região p são atraídas para o potencial negativo externo. Neste caso a única corrente que flui é uma pequena corrente de fuga. (a) (b) (c) (d) Figura 3 - Junção pn. (a) Junção pn com portadores não difusos: doadores ionizados, receptores ionizados, + lacunas e - elétrons; (b) Junção pn com portadores difusos (sentido da corrente de difusão); (c) Junção pn e camada de depleção (barreira de potencial) e sentido da corrente. Assim, os elétrons são representas pelo símbolo (-), as lacunas pelo símbolo (+), os doadores ionizados por ( ) e os receptores ionizados por ( ). Algumas referências definem uma região com grande concentração de doadores ionizados como n +, analogamente uma região com grande concentração de receptores ionizados é definida como p -. Ao contrário, uma região com muitos elétrons e poucos doadores ionizados é Unidade I - 9
10 definida como n e uma região com muitas lacunas e poucos receptores ionizados é definida como p +. (a) (b) (c) Figura 4 - Junção pn. (a) Barreira de potencial e distribuição de cargas; (b) Junção pn diretamente polarizada; (c) Junção pn inversamente polarizada. C. Controle do tempo de vida e definição do tempo de vida Dois processos básicos têm sido desenvolvidos para reduzir o tempo de vida dos portadores em dispositivos semicondutores de potência, são eles: (i) difusão térmica de ouro ou platina; e (ii) bombeamento do silício com partículas com grande energia, como elétrons e fótons. A principal conseqüência do controle do tempo de vida é o aumento da velocidade de chaveamento do semicondutor. O preço pago por esta maior velocidade é um aumento na queda de tensão de condução do dispositivo. O que é tempo de vida? Se o silício do tipo N é irradiado por fótons com energia suficiente para ionizar os elétrons de valência, pares de elétrons-lacunas são produzidos. Como já existe uma abundância de elétrons (portadores majoritários) no silício do tipo N, o excesso de Unidade I - 10
11 lacunas (portadores minoritários) é de maior importância. Se a fonte de luz que provoca o bombardeamento por fótons for removida, a constante de tempo associada a recombinação, ou o tempo de decaimento do excesso de portadores minoritários é chamado de tempo de vida dos portadores minoritários, τ h. Para o silício do tipo P exposto a luz, um excesso de portadores minoritários é gerado e, após a fonte que gera estes portadores em excesso ser removida, o tempo de decaimento associado a este proceso é também definido como tempo de vida dos portadores minoritários, τ e. O tempo de vida dos portadores minoritários é frequentemente chamado de tempo de vida de recombinação. Unidade I - 11