Controlador de tensão

DESAFIO

Ao final deste desafio, você terá projetado e implementado um controlador de tensão, que pode ser utilizado como dimmer (controle de iluminação), controlador de resistências, controlador de velocidade de motores universais (utilizados em eletrodomésticos), entre outras aplicações. Para tanto, serão utilizados os conhecimentos adquiridos ao longo do curso, em especial nesta disciplina, complementados com algumas informações adicionais obtidas mediante pesquisa.

Embora este não seja um projeto complexo, alguns tópicos importantes da disciplina serão abordados, como tiristores e controladores de tensão baseados em ângulo de disparo, comuns em projetos de conversores CA-CA. A versatilidade deste tipo de circuito permite que o equipamento seja utilizado também em outras situações que requeiram controle de potência.

Este projeto deverá ser desenvolvido em grupo, com cinco a sete integrantes por equipe, ou a critério do professor.

OBJETIVO DO DESAFIO

Ao final deste desafio, você terá projetado e implementado um controlador de tensão.

ETAPA 1

Dispositivos semicondutores de potência; Diodos de potência; Tiristores (SCR, DIAC, TRIAC e GTO)

Esta atividade é importante para que você conheça e compreenda as principais características e aplicabilidade do diodo de potência, componente básico para a construção de dispositivos semicondutores de potência e dos tiristores, que constituem uma importante família de componentes eletrônicos destinados ao chaveamento de correntes, todos muito utilizados em projetos de eletrônica de potência.

Para realizá-la, devem ser seguidos os passos descritos.

PASSO 1

O componente semicondutor básico é o diodo, tanto na eletrônica convencional como na eletrônica de potência. Para aplicações onde a corrente é elevada, o método construtivo e o encapsulamento (invólucro do semicondutor) são diferenciados. Pesquise, no livro-texto e na bibliografia complementar, as características que diferenciam um diodo comum de um diodo de potência .

Qualquer diodo inversamente polarizado praticamente não conduz corrente desde que não ultrapasse a tensão de ruptura. Na realidade, existe uma pequena corrente inversa, chamada de corrente de saturação, que ocorre devido unicamente à geração de pares de elétron-lacuna na região de carga espacial, à temperatura ambiente. No diodo Zener acontece a mesma coisa. A diferença é que, no diodo convencional, ao atingir uma determinada tensão inversa, a corrente inversa aumenta bruscamente (efeito de avalanche), causando o efeito Joule, e conseqüentemente a dissipação da energia térmica acaba por destruir o dispositivo, não sendo possível reverter o processo. No diodo Zener, por outro lado, ao atingir uma tensão chamada de Zener (geralmente bem menor que a tensão de ruptura de um diodo comum, o dispositivo passa a permitir a passagem de correntes bem maiores que a de saturação inversa, mantendo constante a tensão entre os seus terminais. Cada diodo Zener possui uma tensão de Zener específica como, por exemplo, 5,1 Volts, 6,3 Volts, 9,1 Volts, 12 Volts e 24 Volts.

Quanto ao valor da corrente máxima admissível unilateralmente,existem vários tipos de diodos. Um dado importante na especificação do componente a ser utilizado é a potência do dispositivo. Por exemplo, existem diodos Zener de 400 mili Watts e 1 Watt. O valor da corrente máxima admissível depende dessa potência e da tensão de Zener. É por isso que o diodo Zener se encontra normalmente associado com uma resistência ligada em série, destinada precisamente a limitar a corrente a um valor admissível.

PASSO 2

Montar uma tabela, relacionando os métodos construtivos de diodos de potência e as características típicas associadas (corrente máxima, potência máxima, tensão reversa máxima).

Diodos de Potência e suas Características.

Uma polarização direta leva ao estreitamento da região de transição e à redução da barreira de potencial. Quando a tensão aplicada superar o valor natural da barreira, cerca de 0,7V para diodos de Si, os portadores negativos do lado N serão atraídos pelo potencial positivo do anodo e vice-versa, levando Um diodo semicondutor é uma estrutura P-N que, dentro de seus limites de tensão e de corrente, permite a passagem de corrente em um único sentido. Detalhes de funcionamento, em geral desprezados para diodos de sinal, podem ser significativos para componentes de maior potência, caracterizados por uma maior área (para permitir maiores correntes) e maior comprimento (a fim de suportar tensões mais elevadas).

Aplicando-se uma tensão entre as regiões P e N, a diferença de potencial aparecerá na região de transição, uma vez que a resistência desta parte do semicondutor é muito maior que a do restante do componente (devido à concentração de portadores).

Quando se polariza reversamente um diodo, ou seja, se aplica uma tensão negativa no anodo (região P) e positiva no catodo (região N), mais portadores positivos (lacunas) migram para o lado N, e vice-versa, de modo que a largura da região de transição aumenta, elevando a barreira de potencial.

Por difusão ou efeito térmico, uma certa quantidade de portadores minoritários penetra na região de transição. São, então, acelerados pelo campo elétrico, indo até a outra região neutra do dispositivo. Esta corrente reversa independe da tensão reversa aplicada, variando, basicamente, com a temperatura.

Se o campo elétrico na região de transição for muito intenso, os portadores em trânsito obterão grande velocidade e, ao se chocarem com átomos da estrutura, produzirão novos portadores, os quais, também acelerados, produzirão um efeito de avalanche. Dado o aumento na corrente, sem redução significativa na tensão na junção, produz-se um pico de potência que destrói o componente à condução.

Na verdade, a estrutura interna de um diodo de potência é um pouco diferente desta apresentada. Existe uma região N intermediária, com baixa dopagem. O papel desta região é permitir ao componente suportar tensões mais elevadas, pois tornará menor o campo elétrico na região de transição (que será mais larga, para manter o equilíbrio de carga).

Esta região de pequena densidade de dopante dará ao diodo uma significativa característica resistiva quando em condução, a qual se