Baixe Acopladores Ópticos e outras Notas de estudo em PDF para Energia, somente na Docsity!
1 Introdução A eletrônica de potência é a tecnologia associada com a conversão eficiente, controle e condicionamento da energia elétrica disponível para a forma desejada através de meios estáticos; A eletrônica de potência lida com o processamento da energia elétrica, enquanto, de uma forma geral, as demais áreas da eletrônica lidam com processamento de informação na forma elétrica; O campo da eletrônica de potência é multidisciplinar, pois envolve o conhecimento de dispositivos semicondutores de potência, elementos magnéticos, máquinas elétricas, sistema elétrico de potência, controle, eletrônica digital e analógica. Nos últimos anos a eletrônica de potência tem se desenvolvido com rapidez devido: A evolução dos semicondutores de potência, com o aumento da capacidade de tensão e corrente dos dispositivos; Operação em frequência de chaveamento mais elevadas; Avanços na área de processamento digitais de sinais e circuitos integrados específicos; A eletrônica de potência encontra aplicações que envolvem potência que vão desde alguns watts até centenas de megawatts, como por exemplo, em sistemas de acionamentos de motores CA, bombas hidráulicas, robôs, tração de veículos, etc.
2 Conceitos Ligação iônica: características isolantes, uma vez que não há elétrons livres na camada mais externa; Ligação metálica: nos metais os elétrons da camada externa são facilmente cedidos. Estes elétrons são livres para se mover sob a influência de campos elétricos externos; Ligação covalente: neste tipo de ligação, estes elétrons são compartilhados entre átomos vizinhos. Elétrons livres não estão disponíveis neste modelo sugerindo características isolantes. Elétrons livres surgem da quebra de ligações covalentes (excitação térmica ou ótica). Para os elétrons serem acelerados por um campo elétrico externo, é necessário que eles possam ocupar novos estados de energia, o que significa que é necessário que existam estados de energia disponíveis 2.1 Estruturas Atômicas Na estrutura atômica isolada existem níveis de energia discreta associada com cada elétron em órbita. Condutores: Qualquer material que sustenta um fluxo de carga quando uma fonte de tensão de amplitude limitada é aplicada através de seus terminais. Os átomos dos materiais que são bons condutores possuem apenas um elétron na camada de valência. Isolantes: Isolantes são materiais que possuem pouquíssimos elétrons livres, sendo necessária a aplicação de um potencial (uma tensão) muito e levada para estabelecer uma corrente mensurável.
A estrutura do tiristor pode ser entendida como a combinação de transistores PNP e NPN, que compartilham a região N (base do transistor PNP e coletor do transistor NPN). Uma tensão positiva no gatilho polariza diretamente a junção base emissor do transistor NPN e satura. Isto permite a passagem de corrente através do coletor NPN (base do PNP). Se o anodo do SCR for positivo (emissor PNP) a junção emissor-base PNP será diretamente polarizada e satura o transistor PNP. Depois de ligado, o transistor PNP supre o NPN com corrente de base. Removendo a tensão e a corrente de gatilho após o chaveamento, o SCR estará ainda em condução devido ao ciclo: o NPN supre o PNP com corrente de base e, por sua vez, o PNP supre o NPN com corrente de base. 3.1 Curva Característica v-i A corrente de travamento IL é a mínima corrente de anodo necessária para manter o tiristor no estado de condução. A corrente de manutenção IH está na ordem de miliampéres e é menor que a corrente de travamento IL. Isto é IL >IH Quando a tensão de catodo é positiva em relação ao anodo, a junção j2 está diretamente polarizada, mas a junção j1 e j3 estão reversamente polarizadas. O tiristor estará no estado de bloqueio e uma corrente de fuga reversa (Ir) fluirá através do dispositivo.
Um tiristor pode ser ligado pelo aumento da tensão direta VAK além de VBO, mas tal forma de liga-lo pode ser destrutiva. Na prática, a tensão direta é mantida abaixo de VBO e o tiristor é ligado pela aplicação de uma tensão positiva entre seus terminais de gatilho e catodo. 3.2 Disparo de um Tiristor Um tiristor é disparado aumentando-se a corrente de anodo. Isto pode ser conseguido através: Térmica: se a temperatura for elevada, haverá um aumento no número de pares elétrons-lacunas que aumentará as correntes de fuga podendo levar o tiristor a condução Este tipo de disparo deve ser evitado; Tensão elevada: se a tensão direta anodo-catodo for maior que a tensão direta de ruptura (VBO – ruptura por avalanche), fluirá uma corrente de fuga suficiente para iniciar o disparo. Este tipo de disparo pode ser destrutivo e deve ser evitado; Luz: se for permitido que a luz atinja as junções, os pares elétrons-lacunas aumentarão e o tiristor poderá ser disparado; dV/dt: se a taxa de crescimento da tensão anodo-catodo for elevada a corrente de carga das junções capacitivas pode ser suficiente para disparar o tiristor; Corrente de gatilho: se o tiristor estiver diretamente polarizado, a injeção de corrente de gatilho pela aplicação de tensão positiva entre os terminais de gatilho e catodo irá dispará-lo. À medida que a corrente de gatilho aumenta, a tensão de bloqueio direta diminui. No gráfico abaixo, os efeitos da corrente de gatilho na tensão de bloqueio direta.
Os acopladores ópticos são dispositivos que operam por meio de um feixe de luz, para transmitir sinais de um circuito para outro, sem a ligação elétrica. Eles são muito utilizados para proteger circuitos sensíveis, como os que utilizam microcontroladores PICs e PICAXE. Em geral, por terem uma velocidade maior de comutação e ausência de rebotes, podem substituir com vantagens várias aplicações com relés
A grande vantagem de um acoplador óptico é o seu isolamento elétrico, que pode ser estabelecido entre os circuitos de entrada e saída. Este dispositivo é composto por uma fonte emissora de luz (LED) e um foto sensor de silício (fototransistor), sensível às variações espectrais da fonte emissora. Os componentes do acoplador óptico encontram-se dentro de um invólucro de encapsulamento geral ou tipo DIP.
Como funciona o acoplador óptico Dentro do acoplador óptico, temos um diodo emissor de luz e um fototransistor, posicionados para que um influencie no outro. Assim, o fototransistor é acionado quando o LED é ligado, proporcionando a grande vantagem do acoplador óptico, comutar dois circuitos de forma isolada. Você pode ver um exemplar de esquema do acoplador visto em diagramas elétricos. No terminal 1 e 2 , está conectado o LED, enquanto que nos terminais 4 , 5 e 6 estão os terminais do transistor. Existem algumas variações do acoplador que trabalham na configuração Darlington. Dessa forma, ele tem o mesmo principio de funcionamento, porém mais adequado para baixar frequências. Assim, além de trabalhar com sinais de alta frequência, podem isolar tensões na casa de alguns kV, dependendo do modelo.
Sinal digital e linear O acoplador pode ser usado para operações digitais e lineares. Assim, um sinal digital trabalha apenas com um nível lógico alto e outro baixo, para representar os bits. Já o sinal analógico, ou linear, vai ser um sinal que mantem sua forma de onda, como na imagem abaixo:
Dispositivos Optoeletrônicos:
LDR
Prof. Zaratini
O LDR, ou Resistor Dependente de Luz, é, basicamente, um resistor que varia sua resistência conforme a intensidade de luz que incide sobre ele. Os tipos mais comuns possuem maior sensibilidade à luz visível. Porém, existem variações que permitem maior sensibilidade à luz infravermelha.
Funcionamento A física por trás do LDR lembra bastante o efeito fotovoltaico. Quando os fótons (partículas de luz) incidem sobre a superfície do componente, os elétrons presentes no material semicondutor são liberados. Com isso, sua condutividade aumenta e a resistência cai. E, como o material possui alta resistência em seu estado normal, sua resistência fica baixa quando incide muito luz nele. Ou seja, se está escuro a resistência é máxima, e se está claro, a resistência é mínima.
Aplicações: Acendimento automático de lâmpada: é muito útil para economizar energia e evitar trabalho desnecessário. Basta usar o LDR para detectar se está de dia ou de noite, e, acender as luzes ou não. Robô seguidor de linha: é possível detectar a intensidade da luz que bate no chão e retorna ao sensor de um robô. E assim, criar um que seja capaz de seguir uma linha. Cultivo: Podem existir casos em que certo tipo de planta ou fungo só pode ficar em ambientes que tenham uma certa intensidade de luz máxima. Portanto é possível criar um monitoramento do ambiente com o LDR.
No caso do LDR a resistência elétrica aumenta com a diminuição da intensidade luminosa, e diminui com o aumento da intensidade luminosa. A resistência elétrica do LDR sob luz intensa ( 10 Lux) pode variar entre 1. 000 ohms e 10. 000 ohms, e sem presença de luz é sempre maior que 200. 000 ohms. Porém a construção físico-química do material semicondutor do LDR não permite que ele seja sensível a uma grande faixa do espectro de ondas eletromagnéticas; segundo os data sheets a faixa mais sensível do LDR é ao redor de 540 nm, que fica entre a luz visível vermelha e amarela.
Em laboratório, foram feitos alguns testes para verificação da tensão do LDR de acordo com a luminosidade do ambiente Tensão = 0 , 07 V – LDR tampada com fita preta (totalmente escuro) Tensão = 2 , 82 V – Dentro de casa com iluminação natural (janela) Tensão = 3 , 53 V – Luminária de LED 500 lúmens (diretamente sobre o LDR) Tensão = 3 , 82 V – Ao ar livre, em dia nublado.
