A aplicação dos dispositivos semicondutores de potência no accionamento de máquinas eléctricas e nos dispositivos electrónicos é de extrema importância. Estes permitem um controlo preciso e uma eficiência muito elevada. Antes da aplicação dos dispositivos semicondutores de potência utilizavam-se as máquinas eléctricas para se conseguirem obter
37 conversões electromecânicas de energia. A Tabela 4 representa as conversões electromecânicas recorrendo a máquinas eléctricas.
Tabela 4 - Conversões Electromecânicas
Tipos de Conversores Equivalentes Electromecânicos
Rectificação Motor CA + Gerador CC
Inversão Motor CC + Gerador CA
Conversor (CA-CA) Motor CA + Gerador CA
Conversor (CC-CC) Motor CC + Gerador CC
Com a evolução da electrónica de potência e com a utilização dos dispositivos electrónicos de potência, obtiveram-se diversas vantagens face aos equivalentes electromecânicos.
As principais vantagens da electrónica de potência em relação aos equivalentes electromecânicos são:
1. As perdas de energia são muito pequenas. 2. Apresentam um consumo muito baixo.
3. Necessitam de uma manutenção muito menor. 4. O tamanho e o peso são bastante reduzidos. 5. Apresentam um custo mais baixo.
6. Possuem uma maior facilidade no controlo da potência.
Díodos
Os díodos são os dispositivos mais básicos aplicados nos conversores electrónicos de potência. Funcionam basicamente como uma válvula electrónica pois só permitem o fluxo de corrente circular num sentido, do ânodo para o cátodo. A sua principal função é rectificar a tensão alternada em tensão contínua (Michels, 2008). Possui dois terminais chamados de ânodo (A) e cátodo (C).
Na figura 2.26 está representado um díodo.
38 Actualmente os díodos são utilizados em muitas aplicações de entre elas destacam-se as seguintes:
a) Rectificação - onde a corrente alternada é rectificada em corrente contínua.
b) Protecção – num circuito eléctrico onde a corrente eléctrica só possa circular num sentido pode-se usar um díodo para proteger o circuito. Como exemplo podemos dar o caso de um gerador em série com uma bateria, em que pretende-se que a corrente passe do gerador para a bateria mas nunca da bateria para o gerador. Assim os díodos permitem não só proteger um circuito que tenha características indutivas, mas quando colocado em paralelo com um elemento indutivo.
Neste caso quando o circuito está ligado, o díodo não deixa passar corrente, comportando- se como um circuito aberto. Quando o circuito é interrompido, a força contra electromotriz que surge aos terminais do elemento indutivo vai-se descarregar pelo díodo, não aparecendo assim aos terminais do interruptor, evitando-se assim o aparecimento de um arco eléctrico.
c) Reguladores de Tensão – são chamados de díodos de Zener. Este tipo de díodo comporta- se como um díodo normal quando polarizado directamente, mas quando polarizado inversamente conduz a partir de um determinado valor de tensão, chamado tensão de Zener. É utilizado na zona de avalanche (onde a tensão varia pouco com a corrente). Na figura 2.27 representa-se o símbolo de um díodo de Zener.
d) Emissores de luz (fotodíodo) - os díodos emissores de luz (LED – Light Emitting Diode) funcionam como um díodo normal, com uma característica adicional, emitirem luz quando conduzem. Em certos tipos de materiais semicondutores, ao ser injectada uma corrente na junção do díodo, é gerada uma radiação electromagnética na zona do visível ou do infravermelho. Na figura 2.28 é representado o símbolo de um díodo fotodíodo.
Figura 2.27 - Díodo de Zener
39 e) Sensor de Luz – os fotodíodos possuem um funcionamento semelhante aos díodos Zener, embora a corrente inversa aumenta com o fluxo de luz. São muito utilizados em alarmes anti-roubo.
Tirístores
Os tirístores têm como principal função controlar a abertura e fecho de circuitos com grandes cargas. Na prática comporta-se como um díodo controlado, pois impede a passagem de corrente eléctrica no sentido inverso, mas permite a passagem de corrente eléctrica no sentido directo, desde que seja aplicado um pequeno impulso de corrente (< 1A) na gate (G), e uma tensão positiva ¤#" entre o ânodo e o cátodo.
O mais conhecido e usado é o SCR (Rectificador Controlado de Silício) pelo seu grande número de aplicações. O nome Tirístor é o nome genérico dado à família dos componentes compostos por quatro camadas semicondutoras (PNPN). Foi desenvolvido por um grupo de engenheiros do Bell Telephone Laboratory (EUA) em 1957. É um dispositivo que permite rectificar uma corrente alternada em corrente contínua e controlar a potência entregue a uma carga.
Os tiristores são constituídos por 4 camadas de material semicondutor PNPN (Silício), originando 3 junções PN. Possui 3 terminais chamados ânodo (A), cátodo (C) e gate (G), em português porta. Nas figuras 2.30 e 2.31 estão representados o símbolo de um tirístor e as suas camadas e junções, respectivamente (Júnior, 2005).
Em seguida enumeram-se os principais critérios na escolha de um dispositivo semicondutor de potência.
1. Potência máxima admitida pelo dispositivo (correntes e tensões máximas suportáveis).
40 2. Frequência de comutação máxima admitida pelo dispositivo (tempos de comutação máximos).
3. Consumo admitido pelo dispositivo (corresponde à energia consumida pelo circuito de comando e pela queda de tensão no elemento de condução.
4. Velocidade máxima admitida pelo dispositivo (corresponde à rapidez de comutação do elemento de condução).
5. Custo (corresponde ao custo monetário de um dispositivo semicondutor de potência).
2.3.4 Conclusões
Os díodos e os tiristores SCR são dispositivos muito eficientes no uso da electrónica de potência e têem uma vida útil muito elevada. Possuem velocidades de comutação muito elevadas e usados em muitos tipos de aplicações, como por exemplo controlo de relés, fontes de tensão variáveis, controlo de motores eléctricos, variação de tensão em corrente contínua (“choppers”), inversores CC-CA, ciclo-conversores (variadores de frequência), carregadores de baterias, circuitos de protecção, entre outras, no entanto devido ao facto de nos tiristores SCR poder ser controlado o momento de disparo da comutação, faz com que este seja o mais utilizado principalmente em aplicações mais complexas.
Do ponto de vista teórico pode-se afirmar que todos os dispositivos semicondutores de potência têm como principais objectivos a rapidez de actuação nas comutações, a capacidade de trabalhar com altas potências e por último a eficiência energética.