Questões de Eletrônica de Potência para Concurso

📌 DADOS & CONTEXTO

• Fontes de Alimentação Ininterrupta (UPS / No-Break);
• Classificação segundo a topologia de operação (Norma IEC 62040-3):
  1. Off-line / Standby;
  2. Line-Interactive (Linha Interativa com estabilizador AVR);
  3. On-line Dupla Conversão.

⚙️ MÉTODO & CARACTERIZAÇÃO DAS TOPOLOGIAS DE UPS

1. Topologia Off-line (Standby):
   • Em condições normais da concessionária, a carga é alimentada diretamente pela rede elétrica bruta através de uma chave de transferência estática / relé, sem qualquer condicionamento ativo, filtragem avançada ou conversão prévia de energia;
   • O inversor permanece desligado/em espera (standby), sendo acionado apenas quando ocorre interrupção total ou afundamento severo de tensão, havendo tempo de transferência de alguns milissegundos ($2\text{ a }10\text{ ms}$);
2. Diferenciação das Demais Topologias:
   • Line Interactive: Inclui um regulador automático de tensão (AVR / autotransformador com taps) que trata flutuações de tensão sem acionar as baterias;
   • On-line Dupla Conversão: A energia da rede passa continuamente pelo retificador (AC/DC) e pelo inversor (DC/AC), isolando 100% a carga contra qualquer distúrbio da rede.

🎯 CONCLUSÃO & JUSTIFICATIVA DO GABARITO

O UPS que transfere a rede direta sem tratamento em condições normais é o modelo off-line (Gabarito Oficial: D).

📌 DADOS & CONTEXTO

• Acionamento eletrônico de máquinas de corrente contínua ($\text{MCC}$) com reversão completa de conjugado e sentido de rotação:
  • Requisito de projeto: Operação nos quatro quadrantes do plano cartesiano tensão vs. corrente ($V_o \times I_o$).

⚙️ MÉTODO & TOPOLOGIAS DE CONVERSORES CC-CC

1. Definição dos Quatro Quadrantes de Operação:
   • 1º Quadrante ($V_o > 0, I_o > 0$): Modo motor no sentido direto (avanço);
   • 2º Quadrante ($V_o > 0, I_o < 0$): Modo gerador / frenagem regenerativa no sentido direto;
   • 3º Quadrante ($V_o < 0, I_o < 0$): Modo motor no sentido reverso (recuo);
   • 4º Quadrante ($V_o < 0, I_o > 0$): Modo gerador / frenagem regenerativa no sentido reverso.
2. Análise das Topologias Comerciais:
   • Conversores elementares (Buck, Boost, Buck-Boost, Cúk, SEPIC, Zeta) operam em apenas 1 quadrante;
   • Conversores de meia-ponte operam em 2 quadrantes;
   • O conversor em Ponte Completa (Full-Bridge ou Ponte H) com 4 interruptores semicondutores controlados em antiparalelo com diodos de roda-livre permite inverter tanto a polaridade da tensão média aplicada à armadura quanto o sentido do fluxo de corrente, operando plenamente nos 4 quadrantes.

🎯 CONCLUSÃO

O conversor que atende à operação em quatro quadrantes é o full-bridge, confirmando a Alternativa E.

📌 DADOS & CONTEXTO

• Circuito Regulador de Tensão Linear Shunt com Diodo Zener;
• Tensão Zener nominal: $V_Z = 5{,}0\text{ V}$;
• Potência máxima de dissipação do Zener: $P_{Z,\max} = 2{,}0\text{ W}$;
• Resistor limitador em série: $R_1 = 15\ \Omega$;
• Resistor de carga em paralelo: $R_2 = 25\ \Omega$.

⚙️ MÉTODO & CÁLCULO DA TENSÃO MÁXIMA DE ENTRADA ($V_{DC,\max}$)

1. Corrente Máxima Suportada pelo Diodo Zener ($I_{Z,\max}$):

$$P_{Z,\max} = V_Z \cdot I_{Z,\max} \implies I_{Z,\max} = \frac{P_{Z,\max}}{V_Z}$$ $$I_{Z,\max} = \frac{2{,}0\text{ W}}{5{,}0\text{ V}} = \mathbf{0{,}40\text{ A} = 400\text{ mA}}$$

1. Corrente Consumida pela Carga ($I_L$):
   • Como a carga $R_2$ está em paralelo com o Zener, sua tensão é fixada em $V_Z = 5{,}0\text{ V}$:

$$I_L = \frac{V_Z}{R_2} = \frac{5{,}0\text{ V}}{25\ \Omega} = \mathbf{0{,}20\text{ A} = 200\text{ mA}}$$

1. Corrente Total Máxima no Resistor Série ($I_{\text{total},\max}$):
   • Pela Lei das Correntes de Kirchhoff no nó Zener-Carga:

$$I_{\text{total},\max} = I_{Z,\max} + I_L = 0{,}40\text{ A} + 0{,}20\text{ A} = \mathbf{0{,}60\text{ A}}$$

1. Queda de Tensão Máxima no Resistor Limitador ($V_{R1}$):

$$V_{R1} = R_1 \cdot I_{\text{total},\max} = 15\ \Omega \cdot 0{,}60\text{ A} = \mathbf{9{,}0\text{ V}}$$

1. Cálculo da Tensão Máxima da Fonte ($V_{DC,\max}$):
   • Pela Lei das Tensões de Kirchhoff na malha de entrada:

$$V_{DC,\max} = V_{R1} + V_Z = 9{,}0\text{ V} + 5{,}0\text{ V} = \mathbf{14{,}0\text{ V}}$$

🎯 CONCLUSÃO & JUSTIFICATIVA DO GABARITO

A tensão máxima admissível na entrada não regulada sem queimar o diodo Zener é de 14 V (Gabarito Oficial: C).

📌 DADOS & CONTEXTO

• Ponte retificadora monofásica modificada por erro de montagem: Substituição de um dos quatro diodos por um resistor ôhmico de valor $R$ idêntico ao da carga;
• Tensão de excitação alternada: $v_s(t)$ senoidal com picos de $+100\text{ V}$ e $-100\text{ V}$.

⚙️ MÉTODO & ANÁLISE TOPOLÓGICA POR SEMICICLO

1. Semiciclo Positivo ($v_s(t) > 0$):
   • Os diodos do ramo direto polarizam-se diretamente em curto ideal, enquanto o ramo resistivo fica em paralelo;
   • A tensão senoidal de pico aplica-se quase integralmente sobre a carga resistiva, gerando pulso retificado de crista máxima $V_{R,m\acute{a}x} = +100\text{ V}$;
2. Semiciclo Negativo ($v_s(t) < 0$):
   • Com a inversão da polaridade da fonte, o diodo complementar conduz em série com o resistor substitutivo $R$ e a carga $R$;
   • Estabelece-se um divisor de tensão puramente resistivo com dois resistores idênticos ($R$ e $R$):

$$V_R = \frac{R}{R + R} \times |v_s(t)| = \frac{1}{2} \times 100\text{ V} = \mathbf{+50\text{ Volts}}$$

1. Morfologia da Tensão de Saída ($V_R$):
   • A forma de onda resulta em uma sequência periódica de pulsos positivos unipolar, alternando um semiciclo de amplitude plena ($100\text{ V}$) e outro semiciclo de amplitude dividida pela metade ($50\text{ V}$).

🎯 CONCLUSÃO

A forma de onda resultante exibe pulsos positivos alternando 100 V e 50 V, correspondendo à alternativa E.

📌 DADOS & CONTEXTO

• Conversor estático CC-CC abaixador de tensão (Step-Down / Buck) operando em Condução Contínua ($\text{CCM}$) sem perdas internas (rendimento $\eta = 100\%$):
  • Corrente média de entrada: $I_{in} = 2\text{ A}$;
  • Tensão média de entrada: $V_{in} = 10\text{ V}$;
  • Corrente média de saída na carga: $I_o = 10\text{ A}$.

⚙️ MÉTODO & PRINCÍPIO DE CONSERVAÇÃO DA POTÊNCIA

1. Balanço Energético em Conversores Ideais ($P_{in} = P_o$):
   • Sendo nulas as perdas por comutação e condução nos semicondutores e elementos passivos:

$$V_{in} \cdot I_{in} = V_o \cdot I_o$$

1. Cálculo da Tensão Média de Saída ($V_o$):

$$V_o = V_{in} \times \left( \frac{I_{in}}{I_o} \right) = 10\text{ V} \times \left( \frac{2\text{ A}}{10\text{ A}} \right) = 10 \times 0{,}20 = 2{,}0\text{ V}$$

1. Verificação da Razão Cíclica ($D$):
   • Em conversor Buck: $V_o = D \cdot V_{in} \implies D = \frac{V_o}{V_{in}} = \frac{2{,}0}{10} = 0{,}20$ ($20\%$ de ciclo de trabalho, plenamente compatível).

🎯 CONCLUSÃO

A tensão média de saída é de $2{,}0\text{ V}$, correspondendo à Alternativa E.