Modulador Hibrido de Potência Pulsada para Aplicações Biomédicas – O Uso de Semicondutores com Linhas de Transmissão

Abstract

A Potência Pulsada pode definir-se como a ciência que estuda o armazenamento de energia elétrica durante um tempo relativamente longo seguida da sua libertação rápida numa carga, aumentando a potência instantânea. Esta técnica dos anos quarenta, usada inicialmente para fins militares, como tantas outras vezes, tem potencial para contribuir para o bem-estar e o desenvolvimento de todos. De facto, existe uma crescente variedade de aplicações ambientais, biomédicas e industriais que usam impulsos de alta tensão, de forma a melhorar a propriedade de um produto ou de uma técnica. Estes impulsos podem durar desde centenas de picossegundos até dezenas de segundos, com taxas de repetição até dezenas de milhares por segundo. Este trabalho tem como objetivo, além do estudo das técnicas usadas na construção de circuitos de geração de impulsos bipolares, o projeto e construção de uma fonte pulsada flexível (em frequência, amplitude e em largura dos impulsos), para geração de impulsos bipolares de alta tensão com 10kV de amplitude, com uma largura de impulsos de poucas dezenas de nanossegundos e taxa de repetição até 1kHz, para aplicações biomédicas. Impulsos de alta tensão com estas características são hoje em dia muito usados para produção de campos elétricos pulsados para aplicação em materiais biológicos, sendo uma ferramenta essencial no processamento de alimentos e tecidos biológicos. A inovação deste trabalho está associada com a técnica de produção dos impulsos de alta tensão bipolares (i.e. positivos e negativos) gerados através da utilização combinada de circuitos com semicondutores e linhas de transmissão, respetivamente, o gerador de Marx e o gerador Blumlein, baseado em cabos coaxiais e “strip lines”. Desta forma, tenta-se extrair o melhor destas duas tecnologias, respetivamente, a flexibilidade de operação bem como a capacidade de geração de impulsos de nanossegundos. Ao mesmo tempo, consegue-se atenuar as limitações inerentes a cada uma delas, respetivamente, a limitação de tensão, corrente e velocidade de comutação dos semicondutores, e a dimensão das linhas de transmissão. Neste trabalho são, também, usadas técnicas clássicas de associação de semicondutores ligadas com o uso de semicondutores de potência modernos.Uma componente importante deste trabalho é a modelação teórica dos circuitos apresentados, bem como a sua simulação em PSPICE e sua a validação experimental em cargas equivalentes aos sistemas biológicos.