projeto completo de um conversor ±12vcc e 10a com a topologia half-bridge
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Trabalho apresentado ao curso de pós-graduação em nível de Mestrado na área de Engenharia Elétrica, da Universidade Estadual de Londrina, como requisito parcial para a aprovação da disciplina de Fontes Chaveadas (2ELE030).TRANSCRIPT
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JOSÉ AUGUSTO COEVE FLORINO
Projeto Completo de um Conversor
±12Vcc e 10A com a Topologia Half-Bridge
Londrina
2010
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA
CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
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III
JOSÉ AUGUSTO COEVE FLORINO
Projeto Completo de um Conversor
±12Vcc e 10A com a Topologia Half-Bridge
Trabalho apresentado ao curso de pós-graduação em nível de Mestrado na área de Engenharia Elétrica, da Universidade Estadual de Londrina, como requisito parcial para a aprovação da disciplina de Fontes Chaveadas (2ELE030).
Prof. Dr. Carlos Henrique Treviso.
Londrina
2010
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IV
RESUMO
Em uma das etapas para a construção e calibração de um medidor de umidade baseado na espectrometria NIR houve à necessidade de transformar corrente alternada em continua para o seu funcionamento. A partir de um conversor half-bridge é gerada uma tensão de 24Vcc e com a possibilidade de ligação para ±12Vcc com 10A para o funcionamento do elemento peltier e componentes do sistema gerando assim uma potência de 240W. Para isso, é utilizado como fonte de energia elétrica, a rede elétrica convencional, podendo variar de 127Vca a 220Vca. Para que o circuito funcione adequadamente, foi acrescentado ao controle um limitador de corrente, um sensor de nível de tensão e de corrente.
Palavras-chave: conversor, controle, half-bridge, ponte-completa.
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V
INTRODUÇÃO
Este trabalho tem por meta servir de apoio ao ensino de graduação e pós-graduação,
como material didático, podendo também ser utilizado de uma forma muito útil em
equipamentos onde há a esta necessidade de tensão e corrente, como por exemplo, bancadas
para testes e equipamentos de uso específicos. Usando a energia elétrica disponível pelas
concessionárias locais, pode-se ligar um rádio amador, usar um equipamento elétrico para dar
manutenção a outros equipamentos ou então ligar um sistema de comando eletrotécnico; ou
seja, com o auxilio do conversor qualquer pessoa pode fazer uso de uma tensão de 24Vcc ou de
12Vcc com 10A em qualquer lugar, desde que tenha conexão com a rede elétrica. Para que isto
venha a ser possível, será implementado um projeto que faça a conversão da tensão de 127Vac
ou 220Vac para 24Vcc com a possibilidade de ±12Vcc, com potência de saída de 240W, fazendo
uso de um conversor que fará, respectivamente, a redução. Na conversão será usado o modelo
half-bridge (TREVISO, 2009) devido às necessidades de tensão e corrente do projeto, enquanto
que na retificação, será usado o modelo de ponte completa com dobrador de tensão (TREVISO,
2005; BARBI, 2007) para o controle do sinal de saída desejado, o CI SG3525 (TREVISO, 2009).
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VI
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1: Possibilidade de ligações AC ...................................................................................... 16
Figura 2.1: Retificação AC/DC ..................................................................................................... 18
Figura 2.2: Retificação AC/AC ..................................................................................................... 19
Figura 2.3: Entrada AC .................................................................................................................. 21
Figura 2.4: Topologia de Retificação de Controle da Fonte .......................................................... 22
Figura 3.17: Circuito para estabilizar a tensão do controle ........................................................... 26
Figura 2.5: Espectro de Tensão do Circuito Retificador do Controle ........................................... 27
Figura 2.6: Estágio de Entrada de uma Fonte Chaveada Típica .................................................... 29
Figura 2.7: Topologia do Estágio de Entrada da Fonte Chaveada como Retificador de Onda
Completa ................................................................................................................................ 31
Figura 2.8: Topologia do Estágio de Entrada da Fonte Chaveada como Dobrador de Tensão ..... 37
Figura 2.7: Circuito Equivalente do Dobrador de Tensão Operando em Vacmim .......................... 41
Figura 2.8: Espectro de Tensão do Circuito Dobrador de Tensão Operando em Vacmim .............. 42
Figura 2.8: Circuito Equivalente do Dobrador de Tensão Operando em Vacmáx .......................... 43
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VII
Figura 2.9: Espectro de Tensão do Circuito Dobrador de Tensão Operando em Vacmáx .............. 43
Figura 3.1: Conversor half-bridge com dois enrolamentos no secundário .................................... 46
Figura 3.2: Entrada do Conversor half-bridge ............................................................................... 48
Figura 3.3: Curva B-H para o caso do transformador .................................................................... 53
Figura 3.4: Topologia do conversor half-bridge ............................................................................ 68
Figura 3.5: Espectro de tensões e correntes de saída do conversor half-bridge ............................ 69
Figura 5.1: Diagrama de blocos representando o controle para o conversor ................................. 76
Figura 3.2: Esquema elétrico referente ao bloco A ....................................................................... 78
Figura 3.3: Circuito interno ao CI SG3525 ................................................................................... 79
Figura 3.4: Esquema elétrico referente ao bloco B ........................................................................ 82
Figura 3.5: Esquema elétrico referente ao bloco C ........................................................................ 84
Figura 3.6: Circuito referente ao bloco D ...................................................................................... 85
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VIII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Condições para a operação do projeto ........................................................................... 17
Tabela 2: Dados do Transformador do Circuito de Controle ........................................................ 23
Tabela 3: Dados do Dobrador de Tensão ...................................................................................... 30
Tabela 4: Resultados obtidos na simulação do dobrador de tensão............................................... 44
Tabela 5: Condições para a operação do conversor ....................................................................... 47
Tabela 2: Especificações para o transformador ............................................................................. 55
Tabela 3: Características do núcleo 30/15/14 ................................................................................ 56
Tabela 7: Valores específicos para o indutor ................................................................................. 61
Tabela 8: Características do núcleo 20/10/5 .................................................................................. 62
Tabela 4: Resultados obtidos na simulação do conversor half-bridge .......................................... 69
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IX
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO............................................................................................... 15
2 CIRCUITO RETIFICADOR ............................................................................ 18
2.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 18
2.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO ................... 22
2.2.1 ESTABILIZADOR DE TENSÃO DO CONTROLE .............................................................. 25
2.2.2 Resultados obtidos ............................................................................................................. 27
2.2.3 Considerações finais .......................................................................................................... 28
2.3 RETIFICADOR DOBRADOR DE TENSÃO .......................................................... 28
2.3.1 Resultados obtidos ............................................................................................................. 40
2.3.2 Considerações finais .......................................................................................................... 44
3 CONVERSOR DC/DC ................................................................................... 45
3.1 HALF-BRIDGE: DESCRIÇÃO TEÓRICA .............................................................. 45
3.2 EQUACIONAMENTO E PROCEDIMENTO DE PROJETO DO CONVERSOR HALF-BRIGDE 47
3.2.1 Transformador .................................................................................................................... 52
3.2.2 Corrente de saída ............................................................................................................... 60
3.2.3 Razão cíclica mínima .......................................................................................................... 60
3.2.4 Indutor ................................................................................................................................. 61
3.2.5 Capacitor de saída .............................................................................................................. 63
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X
3.2.6 Chaves ................................................................................................................................ 66
3.2.7 Diodos ................................................................................................................................. 67
3.3 Resultados obtidos ............................................................................................... 68
3.4 Considerações finais ............................................................................................ 70
4 Buck Equivalente .................................. ....................................................... 71
4.1 Introdução ............................................................................................................ 71
4.2 Procedimento de projeto ...................................................................................... 72
4.3 Considerações finais ............................................................................................ 74
5 CONTROLE PARA O CONVERSOR aC/DC.................... ............................. 75
5.1 Introdução ............................................................................................................ 75
5.2 Método de controle para o conversor DC/DC ....................................................... 76
5.2.1 Bloco A – gerador dos pulsos PWM ................................................................................... 77
5.2.2 Bloco B – amplificador de corrente ..................................................................................... 81
5.2.3 Bloco C – comparação de corrente .................................................................................... 83
5.2.4 Bloco D – comparação de tensão ....................................................................................... 85
5.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE O CONTROLE ............................................ 87
6 Considerações finais .............................. ..................................................... 88
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1 INTRODUÇÃO
Devido à alta tecnologia contida nos aparelhos eletroeletrônicos as suas fontes utilizadas
para a conversão AC/DC foram sendo cada vez mais solicitadas e de uma qualidade de fornecimento de
tensão e corrente cada vez mais estabilizada. Começaram assim a serem desenvolvidas as fontes chaveadas
que apresentam um alto rendimento e uma capacidade de compactação superior, substituindo assim as
fontes reguladoras convencionais, mais conhecidas como lineares com seus volumosos transformadores,
pesadas e dissipativas. (BARBI,2007).
Alem disso, as fontes lineares são largamente empregadas como fonte de alimentação do
circuito de controle para as fontes chaveadas por necessitarem de um circuito independente para usa
operação.
Diante da necessidade da construção e calibração de um medidor de umidade baseado na
espectrometria NIR, que contem componentes eletrônicos para seu funcionamento a projeto em questão
iniciou-se.
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Como se trata de um equipamento amplamente utilizado desde pequenas indústrias de
beneficiamento de grãos e em até escala industrial as possibilidades de tensões encontradas são inúmeras e o
projeto atende as mais comuns, como mostra a Figura 1.1.
Figura 1.1: Possibilidade de ligações AC
As partes dimensionadas são apresentadas na Figura 1.2 e serão detalhadas nos próximos capítulos.
Figura 1.2: Diagrama de Blocos do Projeto
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Para o projeto, utilizam-se as seguintes considerações de informações contidas na tabela 1:
Tabela 1: Condições para a operação do projeto
Especificação de projeto Valor
Tensão máxima de entrada ()(MÁXE
V ) 220Vac ±10%
Tensão mínima de entrada ( )(MINEV ) 127Vac ±10%
Tensão de saída ( SV ) 24Vdc ou ±12Vdc
Queda de tensão sobre os diodos ( DIODOV ) 1,0V
Tensão entre o coletor e o emissor dos transistores na saturação ( )(SATCEV ) 1,00V
Freqüência de operação ( Sf ) 100 kHz
Potência de saída ( SP ) 240W
Razão cíclica máxima (MÁX
D ) 0,45
Densidade de campo magnético máxima (MÁX
B ) 0,25T
Corrente mínima de operação 10% Io
Corrente de saída ( oI ) 10A
Tensão máxima de entrada no conversor half-bridge ( maxVi ) 380Vcc
Tensão mínima de entrada no conversor half-bridge ( minVi ) 260Vcc
Rendimento total (η ) 0,8
Corrente INRUSH 20%
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2 CIRCUITO RETIFICADOR
2.1 INTRODUÇÃO
Os conversores estáticos de energia elétrica, assim chamados porem mais usualmente de
circuitos retificadores, possui duas situações básicas de conversão, conforme as Figuras 2.1 e 2.2.
Figura 2.1: Retificação AC/DC
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Figura 2.2: Retificação AC/AC
A conversão da corrente alternada (AC) em corrente alternada (AC) é feita por meio de
transformadores. Essa conversão é útil quando se deseja aumentar ou reduzir a tensão da rede de
alimentação.
A conversão da corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC) pode ser realizada por
meio de um ou mais diodos retificadores.
Os circuitos retificadores constituem a primeira etapa de uma fonte de alimentação. São
compostos basicamente por diodos retificadores, que geralmente são alimentados por um transformador.
(CHOUERI,2008).
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O retificador AC para DC é usado para a obtenção de uma tensão DC constante a partir de
uma fonte de tensão alternada, onde a tensão média na entrada depende do tempo em que a saída
permanece ligada à entrada. Para efetivar tal retificação, são utilizados capacitores e diodos.
Entre os retificadores AC/DC, existem mais dois modelos fundamentais dos quais derivam
outros: o de onda completa, que produz uma tensão de saída menor ou igual ao valor de entrada ( EV ), o com
filtro capacitivo, que ajuda a filtrar o sinal e manter por um período de tempo em função do seu capacitor e
carga e o dobrador de tensão que fornece uma tensão de saída maior ou igual ao valor de tensão de entrada.
Para estes retificadores, utilizam-se as técnicas de Analise de Circuitos (AHMED, 2000).
Entre todos os modelos de retificadores AC/DC o que mais se aplica ao uso neste projeto,
como foi dito anteriormente, é o dobrador aliado a topologia half-bridge que terá seu funcionamento
detalhado, apresentando suas principais formas de onda, além de todo o equacionamento envolvido com o
conversor e com seus principais componentes (filtro de saída e transformador) e finalizando o capítulo com os
procedimentos de projeto para trazer à prática o half-bridge, dentro da realidade do projeto.
Será utilizada no projeto em questão a topologia de retificação AC/DC do tipo onda
completa com filtro capacitivo para o circuito de controle da fonte e a topologia de dobrador de tensão para
o conversor half-bridge. A entrada AC é mostrada na Figura 2.3 com as derivações de entrada para o
retificador de onda completa dobrador de tensão e o retificador de onda completa com filtro capacitivo.
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Figura 2.3: Entrada AC
O componente J1–CON2 é um conector onde é ligada a tensão em corrente alternada o
componente F1–FUSEHOLDER é responsável pela proteção do circuito da fonte enquanto o componente
F2–FUSEHOLDER faz a proteção do circuito do controle. As chaves SW5 e SW6 são responsáveis pela ligação e
desligamento de todo o sistema atuando de modo a interromper os dois condutores que levam tensão e
corrente para todo o sistema, na pratica devera ser uma chave de duplo contato fazendo essa comutação de
modo simultâneo tanto no momento de ligar quanto no de desligar.
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2.2 RETIFICADOR DE ONDA COMPLETA COM FILTRO CAPACITIVO
Considere o circuito retificador de onda completa com carga resistiva e capacitor de filtro
mostrados na Figura 2.4.
Figura 2.4: Topologia de Retificação de Controle da Fonte
O projeto da fonte de alimentação do circuito de controle foi projetado seguindo os passos
de CHOUERI,2008.
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Tabela 2: Dados do Transformador do Circuito de Con trole
Especificação do Transformador Valor
Tensão máxima de entrada ()(MÁXE
V ) 220Vac
Tensão mínima de entrada ( )(MINEV ) 127Vac
Tensão de saída ( SV ) 15Vdc
Corrente de saída ( oI ) 1A
A tensão de ripple pico a pico vale:
153
2 10 2 10rpp rppL
rpp
V VVV V= ⇒ = ⇒ =
Devido a alta tensão de ripple, a inconstância da rede elétrica que alimenta o núcleo
primário do transformador e a importância do circuito de controle, optou-se em utilizar um CI retificador
7012.
A tensão máxima na carga é:
315 16,5
2 2 2rpp rpp
L máx máx L máx máx
V VV V V V V V V= − ⇒ = + ⇒ = + ⇒ =
Para o retificador de onda completa em ponte, em que f=120Hz, torna-se necessário um
capacitor cujo valor é:
12777
120 3Lmáx Lmáx
rpprpp
I IV C C C F
f C f Vµ= ⇒ = ⇒ = ⇒ =
⋅ ⋅ ⋅
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A tensão de isolação do capacitor adotado deve ser maior do que 16,5V. Portanto foi
adotado um capacitor com valor nominal C=3300µF (valor comercial facilmente encontrado) com tensão de
isolação de, no mínimo, 25V. Adotando este valor de capacitor sensivelmente maior do que o calculado, o
ripple é menor que ±10%, melhorando a performance da fonte.
O transformador deve ter uma tensão de secundário dada por:
16,511,66
2 2máxV
Vs Vs Vs V= ⇒ = ⇒ =
Para que o retificador de onda completa em ponte, a potência do transformador deve ser
1,23 vezes a potencia na carga devido o fator de transformação. O fator de transformação dos circuitos
retificadores é a relação entre a potência do transformador (Ptr) e a potência média na carga (Pdc). Esse fator
é útil para o dimensionamento do transformador no projeto de fontes de alimentação.
1,23 1,23 1,23 15 1 18,45L LmáxPtr Pdc V I Ptr W= ⋅ = ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⇒ =
Adotaremos uma resistência de enrolamento do secundário rtr=0,3Ω.
5002
16,5
LmáxFmáx Fmáx
Rmáx máx Rmáx
II I mA
V V V V
> ⇒ >
> ⇒ >
Da mesma forma, adotaremos o diodo 1N4002, cujas especificações são:
100 ; 10 ; 1,1 ; 50Rmáx Fmáx Fmáx FSMV V I A V V I A= = = =
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Para calcular a corrente de surto máxima desse circuito ( SmáxI ), primeiramente deve-se
determinar a resistência direta do diodo:
0,6 1,1 0,60,05
10
16,541,25
2 2 0,05 0,3
Fmáx
Fmáx
máxSmáx Smáx Smáx
tr
Vrd rd rd
I
VI I I A
rd r
− −= ⇒ = ⇒ = Ω
= ⇒ = ⇒ =⋅ + ⋅ +
O diodo escolhido é adequado, pois FSM SmáxI I> .
2.2.1 ESTABILIZADOR DE TENSÃO DO CONTROLE
Para que o circuito de controle funcione corretamente, é exigida uma tensão de alimentação
estável para o circuito de 12 Vdc; sem isso, o controle pode não operar de forma apropriada, o que pode
resultar em defeitos no conversor. Desta forma, foi usado o integrado SD 7812, que, a partir de uma tensão
aplicada em seu pino 3 (esta tensão deve ser maior que 15 Vdc), gera, de forma automática, uma tensão de
12 Vdc estável em seu pino 1, desde que seu pino 2 esteja aterrado (DATASHEET 7812, Motorola, 1996). Para
alimentar o pino 3 do 7812, o circuito retificador em ponte completa esta fornecendo a tensão necessária. O
esquema utilizado para fornecer uma tensão de alimentação estável é mostrado na figura 3.17:
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Figura 3.17: Circuito para estabilizar a tensão do controle
Pelo circuito também se pode notar que, se a chave geral estiver desligada, a tensão
estabilizada não alcançará o controle e, portanto, o este permanecerá desligado (por conseguinte, o
conversor/inversor também estará desligado). O circuito somente passará a funcionar na situação em que a
chave geral por ligada.
Para a verificação visual da tensão no controle foi projetado um led que acenderá quando
estiver o circuito ligado.
Também foi colocado um resistor para a dissipação da corrente de pico quando ligado o
sistema.
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2.2.2 Resultados obtidos
A Figura 2.5 nos mostra os resultados obtidos para o retificador de onda completa com filtro
capacitivo e o CI 7812 para regular o sinal.
Figura 2.5: Espectro de Tensão do Circuito Retifica dor do Controle
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2.2.3 Considerações finais
A topologia escolha da topologia levou em consideração a qualidade da tensão de saída
(menor ripple) e ao custo, pois o capacitor de filtro é de menos valor e o transformador é de menor potência,
sendo assim mais vantajoso. Para garantir que a tensão não sofra alterações com relação a entrada está
sendo utilizado um CI regulador de tensão 7812 e um led para indicar seu funcionamento.
2.3 RETIFICADOR DOBRADOR DE TENSÃO
A estrutura do estágio de entrada de uma fonte chaveada está apresentada na Figura 2.6.
Os diodos constituem um retificador monofásico de onda completa já os capacitores constituem o filtro de
entrada. Uma chave entre a ponte e os capacitores deve ser fechada pra que possa operar em 220Vac.
(BARBI,2007).
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SW4
SW KEY-SPST
1 2
R15
3
D12DIODE
D13
DIODE
D14DIODE
D15
DIODE
C11C
VEM DA REDE
C12C
Figura 2.6: Estágio de Entrada de uma Fonte Chavead a Típica
O retificador analisado, apesar de operar com elevada distorção harmônica de corrente de
rede possui baixo fator de potência, é muito empregado por ser de baixo custo. (BARBI,2007).
Nos primeiros instantes em que ponte retificadora é inserida na rede elétrica o capacitor é
visto pela fonte primária de entrada causando um curto-circuito aparecendo picos de correntes capazes de
provocar a destruição da ponte retificadora de entrada. Para eliminar o pico de corrente de partida (INRUSH).
Segundo TREVISO em 2009 existem 3 modos simples para a limitação do pico de corrente de
partida. Está sendo utilizado um resistor na entrada da ponte no valor de 10Ω, considerando a baixa potência
do conversor e um sistema de TRIAC para sua descarga.
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O projeto do retificador dobrador de tensão foi projetado seguindo os passos de
TREVISO,2009.
Tabela 3: Dados do Dobrador de Tensão
Especificação de projeto Valor
Tensão máxima de entrada ()(MÁXE
V ) 220Vac ±10%
Tensão mínima de entrada ( )(MINEV ) 127Vac ±10%
Queda de tensão sobre os diodos ( DIODOV ) 1,0V
Tensão entre o coletor e o emissor dos transistores na saturação ( )(SATCEV ) 1,00V
Freqüência de operação ( Sf ) 100 kHz
Potência de saída ( SP ) 240W
Tensão máxima de entrada no conversor half-bridge ( maxVi ) 380Vcc
Tensão mínima de entrada no conversor half-bridge ( minVi ) 260Vcc
Rendimento total (η ) 0,8
Corrente INRUSH 20%
Como a especificação do projeto adota uma valor de ±10% para a tensão de entrada temos
os valores:
Para a tensão de entrada em 220Vac
Tensão máxima +10%: 242Vac
Tensão mínima -10%: 198Vac
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Para a tensão de entrada em 127Vac
Tensão máxima +10%: 139,7Vac
Tensão mínima -10%: 114,3Vac
Analisaremos inicialmente o funcionamento com a chave S aberta (na posição de operação
em 220Vac) na Figura 2.7 podemos ver sua topologia e em uma breve analise podemos observar que se trata
de um circuito retificador de onda completa com filtro capacitivo.
Figura 2.7: Topologia do Estágio de Entrada da Font e Chaveada como Retificador de Onda Completa
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Para esta situação consideraremos a tensão de entrada mínima sendo min 198V Vac= e a
tensão de pico, portanto será de min2 2 198 280,01pk pk pkV V V V Vac= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ = porem consideraremos as
quedas de tensões nos diodos e nos demais componentes e adotaremos 276pkV Vac= .
A capacitância equivalente é dada pela equação:
1 2
1 2
C CC
C C
⋅=+
A energia acumulada em cada semi-ciclo pode ser dada por:
( )2 2min
1
2 5in
pico
WC V V= ⋅ ⋅ −
Onde: 2inW
é a energia acumulada em C a cada meio período da rede.
Sabe-se que:
3005
60in
in in
PW W J
f= ⇒ = =
O tempo de intervalo de condução dos diodos ou tempo de carga do capacitor pode ser
dado pela equação:
1 min 1 260cos cos276
0,9072 2 3,1415 60
pk
V
Vtc tc tc ms
fπ
− −
= ⇒ = ⇒ =
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
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A carga que o capacitor absorve e cede a cada meio ciclo de funcionamento da rede é
calculada pela equação:
Q ichg tc C V∆ = ⋅ = ⋅ ∆
E a corrente pode ser estipulada por:
( )minpkC V VC Vichg
tc tc
⋅ −⋅ ∆= =
Onde ichg é o pico da corrente durante o intervalo de condução.
Igualando a energia acumulada no núcleo com a energia acumulada em C temos:
( )2 2min
inpk
PC V V
f⋅ − =
Portanto a capacitância é expressa pela formula:
( ) ( )2 2 2 2min
300583
60 276 260in
pk
PC C C F
f V Vµ= ⇒ = ⇒ =
⋅ − ⋅ −
Logo 1 2 2 1166C C C Fµ= = =
Voltando ao ichg para seu calculo:
( ) ( )6min
3
583 10 276 26010,28
0,907 10pkC V V
ichg ichg ichg Atc
−
−
⋅ − ⋅ ⋅ −= ⇒ = ⇒ =
⋅
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Vamos considerar:
Ichg - Valor eficaz da componente alternada da corrente i;
IDC - Valor médio de i;
IET - Valor eficaz da corrente total de carga do capacitor.
Então:
2 2 2
2 2
IET IDC Ichg
Ichg IET IDC
= +
= +
Mas:
2
2
tcIDC ichg
T
tcIET ichg
T
⋅= ⋅
⋅= ⋅
Portanto:
( )
( )
22 2
2
2
23 3
2 4
2 2
10,28 2 0,907 10 60 2 0,907 10 60 3,20
tc tcIchg ichg ichg
T T
Ichg ichg tc f tc f
Ichg Ichg A− −
⋅ ⋅= ⋅ − ⋅
= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ =
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No capacitor circula a componente alternada da corrente i, que produz perdas em sua
resistência série equivalente (RSE), provocando aquecimento. Essas perdas devem ser calculadas.
A corrente que o capacitor fornece ao estágio seguinte possui uma componente alternada
de alta freqüência que também provoca perdas.
Sendo D a razão cíclica (duty cycle), temos:
inpk
Pi
V D=
⋅
Para D valendo máxD e V sendo minV temos:
3002,56
260 0,45pk pki i A= ⇒ =⋅
Se considerar que nesta situação o conversor irá operar na razão cíclica mínima terá:
3003,74
260 0,3078pk pki i A= ⇒ =⋅
Para o calculo de AFIcef iremos levar em consideração o pior caso da corrente de pico e a
sua razão cíclica mínima.
3,74 0,3078 1,15AF pk AFIcef i D Icef A= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒
2,56 0,45 1,71AF pk AFIcef i D Icef A= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒
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Porem o valor aqui encontrado se comparado com o valor da razão cíclica máxima é menor
e conseqüentemente adotaremos o pior caso.
O valor da corrente eficaz total nos capacitores é dado pela equação:
2 2 2 21,71 3,20 3,63AFIcef Icef Ichg Icef Icef A= + ⇒ = + ⇒ =
As correntes média e eficaz total no diodo são as equações:
3
min
10,28 0,907 10 60 2,39
3000,54
2 2 276in
tcIDef ichg IDef IDef A
TP
IDmed IDmed IDmed AV
−= ⋅ ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ ⇒ =
= ⇒ = ⇒ =⋅ ⋅
A tensão de pico reversa em cada diodo e a tensão máxima é igual à máxpkV , portanto será
igual a 2 2 276 390,32máx máxpk pk pkV V V Vac= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒
Após a analise da posição da chave aberta, o estágio de entrada da fonte chaveada que
estava na se comportando como um circuito retificador de onda completa agora, com a chave fechada
podendo operar na posição 127Vac, se torna um dobrador de tensão conforme mostra a Figura 2.8.
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Figura 2.8: Topologia do Estágio de Entrada da Font e Chaveada como Dobrador de Tensão
Admitindo estas duas situações, conforme especificações do projeto analisaremos os dois
casos para dimensionar os componentes baseados na pior situação.
Portanto a tensão mínima de cada capacitor será de:
1 2 1 2 114,3 1 161,64pk mim pk pkVC Vac VC VC Vac= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
Portanto a tensão de pico em cada capacitor para o pior caso considerando as quedas de
tensão nos diodos e nas resistências parasitas tem-se:
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1 157,64pkVC Vac=
Já a tensão de pico em cada capacitor será de:
min min min
2 1 2 260 157,641 1 1 120,78
3 3mim pkVC VC
VC VC VC Vac⋅ − ⋅ −= ⇒ = ⇒ =
A potência total leva em consideração o rendimento.
24 10300
0,8out out o
in in in in
P V IP P P P W
η η⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ = ⇒ =
Com os valores das tensões de pico em cada capacitor encontramos a capacitância para o
pior caso de fornecimento de tensão:
( ) ( )2 2 2 2min
3001 2 1 2 1 2 487
1 1 60 157,64 120,78in
pk
PC C C C C C F
f VC VCµ= = ⇒ = = ⇒ = =
⋅ − ⋅ −
Conseqüentemente a capacitância equivalente é:
243,5C Fµ=
Como demonstrado, o pior caso para os capacitores conseguirem manter a tensão é em
220Vac, portanto adotaremos os capacitores de entrada no valor comercial acima que vale 1000C Fµ= .
O intervalo de condução dos diodos ou tempo de carga dos capacitores ( tc) leva em
consideração a energia acumulada no capacitor a cada meio período da rede.
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1 min 11 120,78cos cos1 157,64
1,852 2 3,1415 60
pk
VC
VCtc tc tc ms
fπ
− − = ⇒ = ⇒ =⋅ ⋅ ⋅ ⋅
No capacitor circula apenas a componente alternada da corrente, que produz perdas em sua
resistência série equivalente (RSE), provocando aquecimento, por isso suas perdas devem ser calculadas. A
corrente eficaz da componente alternada ( Ichg ) de alta freqüência também deve ser calculada, pois provoca
perdas levando em consideração a corrente no estágio de entrada.
( ) ( )6min
3
3
2 2 2
min
1 1 1 330 10 157,64 120,781 1 1 6,57
1,85 10
1,85 10 60 0.111
1 6,57 0.111 0.111 2,06
3002,56
260 0,45
pk
in
máx
AF
C VC VCichg ichg ichg A
tc
tc f
Ief ichg tc f tc f Ief Ief A
PIpk Ipk Ipk A
V D
Icef ip
−
−
−
⋅ − ⋅ ⋅ −= ⇒ = ⇒ =
⋅⋅ = ⋅ ⋅ =
= ⋅ ⋅ − ⋅ ⇒ = ⋅ − ⇒ =
= ⇒ = ⇒ =⋅ ⋅
=2 2 2 2
2,56 0,45 1,71
1 1 2,06 1,71 1 2,67
máx AF AF
ef AF ef ef
k D Icef Icef A
IC Ief Icef IC IC A
⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
= + ⇒ = + ⇒ =
A tensão máxima e corrente média no diodo para seu dimensionamento:
min
2 2 242 342,23
3001,31
2 2 114,3
máx máx máx máx
inmed med med
VD Vac VD VD Vdc
PID ID ID A
Vc
= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
= ⇒ = ⇒ =⋅ ⋅
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Corrente de INRUSH
100 4,7 / 350
7,050,0705
100311
4411,340,0705
F V
RSE
INRUSH A
µ⋅
= = Ω
= =
O diodo escolhido foi o diodo TO200AB, pois possui as características necessárias para
atender o projeto. O mesmo se encontra nas referencias.
2.3.1 Resultados obtidos
A figura 2.7 mostra o circuito equivalente em que foram simulados e posteriormente
anotados os resultados.
Já na figura 2.8 mostra os espectros das tensões de entrada com o valor de 161,64Vac Eficaz
e saindo do dobrador em 321,99Vac.
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Figura 2.7: Circuito Equivalente do Dobrador de Ten são Operando em Vac mim
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Figura 2.8: Espectro de Tensão do Circuito Dobrador de Tensão Operando em Vac mim
A figura 2.9 mostra o circuito equivalente em que foram simulados e posteriormente
anotados os resultados.
A figura 2.10 mostra os espectros das tensões de entrada com o valor de 311Vac e saindo do
dobrador em 310Vac.
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Figura 2.8: Circuito Equivalente do Dobrador de Ten são Operando em Vac máx
Figura 2.9: Espectro de Tensão do Circuito Dobrador de Tensão Operando em Vac máx
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Foram simuladas as possíveis situações e os resultados estão dispostos na tabela abaixo:
Tabela 4: Resultados obtidos na simulação do dobrad or de tensão
Tensão de entrada
Vi (Vca)
Tensão de entrada
EFICAZ
Tensão de saída
Vout(Vdc)
Conexão com os capacitores
114,3 161,64 321,99 Sim
127 179,60 357,99 Sim
139,7 197,56 393,99 Sim
139,7 197,56 196,99 Não*
198 280,01 559,99 Sim*
198 280,01 279,99 Não
220 311,12 310,99 Não
242 342,23 341,99 Não
* Situação de experiência, não sendo usual.
2.3.2 Considerações finais
Os resultados obtidos satisfazem os parâmetros de projetos, pois apresentam uma tensão
condizente com o desejado. Operando em uma situação onde a rede elétrica não sofra alterações em seu
espectro de fases o retificador conduzirá bem a sua função.
Como pode observar na tabela 4, os resultados obtidos para a tensão de variação na
proporção de 10% superior em 127Vac e 10% inferior em 220Vac mesmo com a chave seletora seccionada
para ambos os lados não deve ser repetida na pratica, pois ocasionará danos ao sistema ou até mesmo o mal
funcionamento do sistema.
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3 CONVERSOR DC/DC
3.1 HALF-BRIDGE: DESCRIÇÃO TEÓRICA
O conversor meia ponte ou half-bridge tem uma alteração no circuito que permite contornar
inconvenientes do conversor push-pull e leva ao conversor com topologia em meia ponte. Neste caso cria-se
um ponto médio na alimentação, por meio de um divisor capacitivo, o que faz com que os transistores
tenham que suportar 50% da tensão do caso anterior, embora a corrente seja o dobro.
O uso de um capacitor de desacoplamento garante uma tensão média nula no primário do
transformador. Este capacitor deve ser escolhido de modo a evitar ressonância com o indutor de saída e,
ainda, para que sobre ele não recaia uma tensão maior que alguns por cento da tensão de alimentação
(durante a condução de cada transistor).
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Observa-se a semelhança na parte de retificação e filtragem (Diodos e Capacitores) com o
circuito push-pull. A tensão máxima dos transistores é o que permite a utilização de transistores com baixa
tensão. Quando um transistor satura, o outro estará cortado, nunca existindo condução simultânea dos dois
transistores. Assim, o ângulo de condução máxima será de 50% (como o push-pull).
C13C
C14C
QbreakN
Q1
QbreakN
Q2
T2
TRAN_ISDN_10
2 6
97
104
D16
DIODE
D17DIODE
D18DIODE
D19
DIODE
SAÍDA +12v
L1
INDUCTOR
SAÍDA 0v
L2
INDUCTOR
SAÍDA -12v
C15C
C16C
Figura 3.1: Conversor half-bridge com dois enrolamentos no secundário
O conversor half-bridge será o responsável pela elevação da tensão da rede elétrica (127Vac
ou 220Vac), que será a tensão de entrada do conversor, para no mínimo 260Vdc ou 380Vdc estabilizado, que
por sua vez é aplicado aos componentes de sua topologia convertendo assim para a saída 24Vdc ou ±12Vdc.
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3.2 EQUACIONAMENTO E PROCEDIMENTO DE PROJETO DO CO NVERSOR
HALF-BRIGDE
O equacionamento do conversor half-bridge (TREVISO, 2009) será realizado com base na
versão do conversor presente na figura 3.1:
Para o projeto do conversor, devem-se levar em consideração as informações contidas na
tabela 5:
Tabela 5: Condições para a operação do conversor
Especificação de projeto Valor
Tensão máxima de entrada ()(MÁXE
V ) 380Vdc
Tensão mínima de entrada ( )(MINEV ) 260Vdc
Tensão de saída ( SV ) 24Vdc ou ±12Vdc
Tensão sobre os diodos ( DIODOV ) 1,0V
Tensão entre o coletor e o emissor dos transistores na saturação ( )(SATCEV ) 1,0V
Freqüência de operação ( Sf ) 100 kHz
Potência de saída ( SP ) 240W
Razão cíclica máxima (MÁX
D ) 0,45
Densidade de campo magnético máxima (MÁX
B ) 0,25T
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Dados os parâmetros de projeto para a variação máxima da tensão nos capacitores de
entrada, conforme a Figura 3.2, de 10% da tensão 2
Vi e levando-se em consideração a largura de pulso
máxima de 0,45 tem-se:
C27C
C28C
QbreakN
Q4
QbreakN
Q5
V1Vdc
Figura 3.2: Entrada do Conversor half-bridge
VcIp C
tIo
IpN
∆= ⋅∆
=
Sendo:
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1
2.
10%2 20
tfs
Vi ViVc de
∆ =
∆ = =
Supondo que 2 32
CC C= = , têm-se:
3
20 101 2
10 101 2
260 100 10
Ip t Io IoC C C C
V N Vi f N Vi f
C CN
⋅ ∆ ⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ = =∆ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅∴ = =⋅ ⋅ ⋅
O valor do capacitor C equivalente não deve ser tal que o circuito LC do filtro de saída ressoe
na freqüência de chaveamento.
A corrente RMS no capacitor é dada por:
2 máxRMS
Io DIcap
N
⋅ ⋅=
A tensão de saída pode ser calculada pelo valor médio da tensão de entrada que é dada por:
min2 22
2máx sat
máx
ViD Vce
Vo VD DN
⋅ ⋅ − ⋅ = − ⋅ ⋅
Assim sendo transcrevendo os parâmetros de projetos encontramos o valor de N e
conseqüentemente os valores dos capacitores de entrada.
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2602 0,45 2 1
212 1 2 0,45 8,93N
N
⋅ ⋅ − ⋅ = − ⋅ ⋅ ⇒ =
3 3
20 101 2
10 10 10 101 2 1 2
260 100 10 8,93 260 100 10
1 2 4,3
Ip t Io IoC C C C
V N Vi f N Vi f
C C C CN
C C Fµ
⋅ ∆ ⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ = =∆ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅ ⋅= = ⇒ = =⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
∴ = =
Devido seus efeitos e valores comerciais de capacitores, adotaremos o valor para cada
capacitor de 2,2µF/250V.
A tensão nos capacitores de entrada é a metade da tensão de entrada, pois o valor médio da
tensão gerada pelos transistores nos capacitores (através do primário do transformador) será 2
Vi, se o
período de condução dos transistores for igual.
Pelos capacitores de entrada passará a corrente do primário e, por isso, a escolha do tipo de
capacitor, capaz de suportar essa corrente, será necessária usar capacitores em paralelo. O valor do capacitor
deve ser igual tal que, não ocasione perda de tensão devido a descarga do capacitor pela corrente máxima no
primário. Definindo a relação de espiras N por:
1
2
NN
N=
A corrente máxima no primário será:
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101,11
8,93
Is IoIp Ip A
N N= = ⇒ = =
A tensão de entrada poderá variar pelo valor de:
26013,0
20 20
ViVc Vc Vc V∆ = ⇒ ∆ = ⇒ ∆ = ±
Os capacitores de entrada terão que suportar as oscilações de tensão, agora verificará se o
capacitor escolhido atende a este requisito.
2,2 / 250
0,18
1,110,18 0,022
8,93RSE RSE
F V
RSE
IpVc RSE Vc V
N
µ= Ω
∆ = ⋅ ⇒ ∆ = ⋅ ⇒
O capacitor de entrada escolhido atende a variação de tensão.
Conforme visto anteriormente a corrente RMS no capacitor é dada por:
2 10 2 0,451,06
8,93máx
RMS RMS RMS
Io DIcap Icap Icap A
N
⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ =
Para o funcionamento do modo contínuo, tem-se a equação:
( )( )
min min mmin
1
4 1 2áxD D Vi
IoN L fs
⋅ − ⋅≥
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
Confirmando a tensão de entrada mínima, temos:
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( )
( )
min 22
0,45 260 2 11 2 0,45 12,10
8,93
máx satmáx
D Vi VceVo VD D
N
Vo Vo Vdc
⋅ − ⋅= − ⋅ ⋅
⋅ − ⋅= − ⋅ ⋅ ⇒ =
3.2.1 Transformador
No circuito meia ponte, o transformador também utiliza o 1º e o 3º quadrantes da figura B-
H e que permite melhor dimensionamento do núcleo.
No half-bridge, o transformador é magnetizado durante o ONT de uma das chaves e, quando
a outra chave conduz, uma corrente de desmagnetização flui por ela até que se torne nula, para que, em
seguida, o núcleo seja magnetizado. Entretanto, deve-se atentar para o fato de que a corrente de
magnetização do núcleo depende da largura de pulso dos transistores, ou seja, do seu ONT (TREVISO, 2005).
Se um transistor possuir um ONT maior do que o outro, sua corrente de magnetização também será maior do
que do outro, podendo provocar uma saturação no núcleo devido à falta de simetria existente na excursão do
campo magnético no mesmo. Para contornar esta dificuldade, o circuito de controle deve ser usado no modo
de corrente (TREVISO, 2005) para que a corrente de coletor das chaves seja amostrada para comparação com
um valor de referência, possibilitando, desta forma, um equilíbrio entre as correntes de magnetização.
Para a escolha no núcleo do transformador, deve-se observar que, pela excursão do campo
magnético na curva B-H (figura 3.3), há melhora no aproveitamento do volume efetivo do núcleo.
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Figura 3.3: Curva B-H para o caso do transformador
Pode ser mostrado, que o produto das áreas pode ser dado aproximadamente por:
42,22 10z
PsAp
Kj B fs
⋅ ⋅= ⋅ ⋅
Sendo:
Ps – Potência de saída;
fs – Freqüência de chaveamento;
B – Excursão total do campo magnético no 1º e 3º quadrantes (Tesla);
Kj e z – Conforme tabela do anexo
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A partir de Ap fica fácil escolher o núcleo e a escolha dos fios deve levar em conta a corrente
RMS em cada enrolamento.
A corrente no primário é dada pela equação:
2 10 2 0,452,03
4,6626máx
RMS RMS RMS RMS
Io DIcap Ip Ip Ip A
N
⋅ ⋅ ⋅ ⋅= = ⇒ = ⇒ =
A corrente em cada secundário é:
10 0,45 6,7RMS máx RMS RMSIs Io D Is Is A= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
O número de espiras do primário pode ser calculado por:
min
2máxVi D
NpAe B fs
⋅≥⋅ ⋅∆ ⋅
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Tabela 2: Especificações para o transformador
Especificações para o transformador Valor
Rendimento (η ) 0,8
K 4
PK 2
UK 0,4
SK 1
Para a escolha do núcleo é necessário, primeiramente, calcular a potência aparente no
transformador:
10 24300
0,8in
out out out out
P Io VoP P P P w
η η⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ = ⇒ =
Desta forma, o núcleo pode ser escolhido a partir do valor de PA , entretanto, antes se deve
encontrar o valor de B fornecido pela equação:
min 2600,3 0,2052
380máxmáx
ViB B B B
Vi= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
Voltando para a formula do produto das áreas encontraremos o valor de Ap para a escolha
do núcleo.
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1,1364 4
3
2,22 10 2,22 300 10
397,5503 0,2052 100 10
0,79
zPs
Ap ApKj B fs
Ap
⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
=
Pelo anexo B, escolhe-se o núcleo mais apropriado para o caso: 30/15/14, onde suas
principais informações constam na tabela 6:
Tabela 3: Características do núcleo 30/15/14
Característica Valor especificado
PA
1,43 cm4
EL
6,69 cm = 6,69.10-2 m
EA
1,20 cm2 = 1,20.10-4 m2
Com a ajuda da tabela 6 e das equações, pode-se definir o número de espiras tanto para o
primário quanto para o secundário do transformador:
min4 3
260 0,45
2 2 1,82 10 0,3 100 10
16,25
máxVi DNp Np
Ae B fs
Np
−
⋅ ⋅≥ ⇒ ≥⋅ ⋅ ∆ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
≥
Portanto, o valor escolhido para o primário é de seis espiras. Este valor, ao ser aplicado à
equação, fornece o número de espiras do secundário:
16,251,819
8,93
NpNs Ns Ns
N≥ ⇒ ≥ ⇒ ≥
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Portanto, o valor escolhido para o secundário é de duas espiras. Utilizando as equações
encontramos, respectivamente J e RMSIs :
A densidade de corrente no transformador será de:
0,12 2397,5503 1,43 380,84 /xJ Kj Ap J J A cm− −= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
2 10 2 0,45 9,48RMS máx RMS RMSIs Io D Is Is A= ⋅ ⋅ ⇒ = ⋅ ⋅ ⇒ =
e aplicando estes dados à equação, temos a área do cobre no secundário do transformador:
2 2sec sec sec
9,482,489 10
380,84RMSIs
Acu Acu Acu cmJ
−= ⇒ = ⇒ = ⋅
Para saber quantos fios em paralelos são necessários para preencher esta área:
2sec
13
2,489 10 0,95
0,026243ParaleloAWG
AcuFios
Acu
−⋅= ⇒ =
Neste caso, poder-se-ia usar o fio #13 AWG.
Para o cálculo da área do primário, o procedimento matemático é um pouco diferente,
necessitando da corrente RMS do primário (que nada mais é do que a corrente RMS do secundário
relacionada ao primário pelo fator de espiras N).
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A corrente que flui pelo primário do transformador é dada por:
9,480,53
2 2 8,93RMS
RMS RMS RMS
IsIp Ip Ip A
N= ⇒ = ⇒ =
⋅ ⋅
Desta forma, a área do cobre no primário é fornecida pela equação:
3 20,531,39 10
380,94RMS
pri pri pri
IsAcu Acu Acu cm
J−= ⇒ = ⇒ = ⋅
Para saber quantos fios em paralelos são necessários para preencher esta área:
3
26
1,39 10 1,08
0,001287pri
ParaleloAWG
AcuFios
Acu
−⋅= ⇒ =
Para o fio do primário, pelo anexo B escolhe-se o fio # 26 AWG ou fita de cobre com área
equivalente.
Para o calculo da indutância dos núcleos do transformador necessitamos de dados obtidos
diretamente com o fabricante em catálogos, usamos a equação:
2 2 98,93 3500 10 279,1P P PL N Al L L Hµ−= ⋅ ⇒ = ⋅ ⋅ ⇒ =
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Corrente de magnetização no primário
Primario Primario Primario6 3
0,45 3806,12
279,1 10 100 10máx máx
mg mg mgp
D ViI I I A
L fs −
⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ =⋅ ⋅ ⋅ ⋅
A corrente de magnetização é igual a corrente de desmagnetização, ou seja:
mg dmgI I=
A corrente, no enrolamento no momento da desmagnetização pode ser calculada pela
equação:
0,4519,20 7,43
3 3RMS RMS
máxdmg dmg dmg
DI I I A= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒
As correntes RMS e média no secundário podem ser calculadas pelas equações:
sec sec 10 0,45 6,70
sec sec 10 0,45 4,5RMS máx RMS
média máx média
I Io D I A
I Io D I A
= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒
= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒
Da mesma forma, as correntes RMS e média no primário do transformador podem ser
calculadas.
sec 6,70,7502
8,93
sec 4,50,503
8,93média
RMSRMS RMS RMS
média média média
IIpri Ipri Ipri A
N
IIpri Ipri Ipri A
N
= ⇒ = ⇒ =
= ⇒ = ⇒ =
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O enrolamento de desmagnetização deve ter o melhor acoplamento possível, em relação ao
enrolamento primário, para que a indutância de dispersão entre esses enrolamentos não cause transitórios
de tensão no transistor.
3.2.2 Corrente de saída
As equações abaixo definem, respectivamente, as correntes máxima e mínima de saída do
conversor half-bridge:
24010
24
PsIo Io Io A
Vo= ⇒ = ⇒ =
e, como já foi esclarecido, a corrente mínima de saída é considerada como a décima parte da corrente
máxima:
min min min
101
10 10
IoIo Io Io A= ⇒ = ⇒ =
3.2.3 Razão cíclica mínima
Com o valor da razão cíclica máxima definida em 0,45 para evitar que as chaves, por algum
transiente ou ruído conduzam juntas, podemos definir a razão cíclica mínima pela equação:
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minmin min min
0,45 2600,3078
380máx
máx
D ViD D D
Vi
⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ =
3.2.4 Indutor
O dimensionamento do indutor leva em consideração os dados fornecidos pela tabela 7:
Tabela 7: Valores específicos para o indutor
Especificações para o indutor Valor
SK
4
UK
0,4
A indutância é fornecida pela equação:
( )( )
( )( )
min min
min
3
11
4 2
0,3078 1 0,3078 3801 1 11,33
4 8,93 1 2 100 10
máxD D ViL
N Io fs
L L Hµ
⋅ − ⋅≥
⋅ ⋅ ⋅ ⋅
⋅ − ⋅≥ ⇒ ≥
⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
E escolha do núcleo deve ser feita, levando-se em conta a energia máxima que esse deve
armazenar que é expressa pela equação:
( ) ( )2 26min
1 11. 11,33.10 10 1 685,4
2 2E L Io Io E E Jµ−= ⋅ + ⇒ = ⋅ ⋅ + ⇒ =
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Para poder especificar o menor núcleo de ferrite que pode ser utilizado neste indutor, deve-
se calcular o produto das áreas Ap dado pela equação:
1,1364 6 4
4
2 10 2 685,4 10 10
0,4 397,5503 0,3
0,2425
z
máx
EAp Ap
Ku Kj B
Ap cm
− ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅= ⇒ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅
=
Pelo anexo B nota-se que o núcleo mais apropriado para o caso é o 20/10/5, cujas principais
características estão na tabela 8:
Tabela 8: Características do núcleo 20/10/5
Característica Valor especificado
PA
0,48 cm4
EL
4,28 cm = 4,20.10-2 m
EA
0,310 cm2 = 0,312.10-4 m2
Com o auxilio da tabela 8 e das equações pode-se definir o número de espiras do indutor:
6
9
11,33 1051,93
4,20 10
LN N N
Al
−
−
⋅= ⇒ = ⇒ =⋅
Finalmente, a área do cobre e o fio a ser utilizado no indutor podem ser definidos através
das equações:
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Densidade de corrente:
0,12 0,12 2397,5503 0,48 434,15 /J Kj Ap J J A cm− −= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ =
Área do cobre:
( )
( )
2 2min
2 2
210 1
0,02314434,15
RMSIo IoI
Acu AcuJ J
Acu Acu cm
+= ⇒ =
+= ⇒ =
Para saber quantos fios em paralelos são necessários para preencher esta área:
13
0,02314 0,92
0,026243pri
ParaleloAWG
AcuFios
Acu= ⇒ =
E, portanto o fio do indutor, pelo anexo B escolhe-se o fio # 13 AWG ou fita de cobre com
área equivalente.
3.2.5 Capacitor de saída
Para o caso deste projeto, é permissível uma variação de tensão na saída de, no máximo,
0,12Vdc ou 0,24Vdc. Para isso, deve ser utilizado um capacitor que, tanto para a corrente máxima quanto
para a corrente mínima de saída, mantenha a variação de tensão dentro deste limite. O valor desta
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capacitância na condição de corrente máxima é fornecido pela equação, repetida para a condição de menor
corrente:
2 6 21 11,33 10 101 2 1 2 786,8
12 0,12
L IoC C C C F
Vo Voµ
−⋅ ⋅ ⋅= ≥ ⇒ = ≥ ⇒⋅∆ ⋅
Já o valor da variação de tensão com o uso do capacitor é fornecido pela equação:
( ) 21 máx
máx
D L IoVo
D C Vo
− ⋅ ⋅ ∆∆ =
⋅ ⋅
Como o valor a ser escolhido deve ser o maior. Contudo, devemos considerar o efeito da
resistência série-equivalente do capacitor, e, para isso, deve escolher um valor bem acima daquele que foi
calculado. Um valor comercial que satisfaça estes requisitos é o capacitor de1000 / 35F Vµ . Para garantir que
este capacitor manterá a variação de tensão na saída dentro do especificado, calcula-se SV∆ a partir do valor
do capacitor, nas equações. Para a situação de corrente máxima de saída, a variação de tensão será de:
( )
( )
2
6 2
6
1
1 0,45 11,33 10 100,115
0,45 1000 10 12
máx
máx
D L IoVo
D C Vo
Vo Vo Vdc−
−
− ⋅ ⋅ ∆∆ =
⋅ ⋅
− ⋅ ⋅ ⋅∆ = ⇒ ∆ =
⋅ ⋅ ⋅
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enquanto que para a situação de corrente mínima, tem-se:
2
6 2
6
11,33 10 100,094
1000 10 12
L IoVs
C Vo
Vso Vo Vdc−
−
⋅ ∆∆ =⋅
⋅ ⋅∆ = ⇒ ∆ =⋅ ⋅
Garantindo, assim, que a variação de tensão permaneça menor do que a variação estipulado
pelo projeto.
Em condições reais de operação devemos consultar o datasheet do capacitor para
conhecermos a RSE (resistência serie equivalente).
Em regime permanente apresenta a seguinte equação:
( )minRSEVo Io Io RSE∆ = + ⋅
Nessa condição, o capacitor deverá suprir toda a corrente inicialmente, portanto a queda
devido a SER será dada por:
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( )( )
min
10 1 0,12 1,32
RSE
RSE RSE
Vo Io Io RSE
Vo Vo
∆ = + ⋅
∆ = + ⋅ ⇒ ∆ =
3.2.6 Chaves
Com o circuito half-bridge conseguimos obter tensão máxima nos transistores equivalentes
a tensão de entrada. No entanto a corrente sobre cada chave é o dobro da corrente total circulante, contudo
a tensão sobre cada uma delas é a metade da tensão máxima de entrada no primário (conseqüência dos
capacitores em série com o primário do transformador). O conversor ponte completa permite obter tanto
baixa tensão no transistor (como no circuito meia ponte), quanto baixa corrente do coletor (como no push-
pull).
Com relação à corrente que flui em cada chave, seu valor eficaz é fornecido pela equação:
min mgTpico
Io Io II
N
+ ⋅=
Enquanto que a corrente média é dada pela equação 1.25:
10 0,450,5089
8,93máx
Tmed Tmed Tmed
Io DI I I A
N
⋅ ⋅= ⇒ = ⇒ =
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Já a tensão é fornecida por:
380 1 379T máx sat T TV Vi Vce V V Vdc= − ⇒ = − ⇒ =
A escolha dos MOSFET’s para funcionarem como chave no conversor deve considerar a
corrente e a tensão sobre a mesma; assim, foram escolhidos os MOSFET’s 2SK3757, cujo datasheet encontra-
se presente nas referências bibliográficas deste trabalho, pois são capazes de suportar tanto o valor de
corrente quanto o valor de tensão requisitado pelo projeto.
3.2.7 Diodos
Para a escolha do diodo mais apropriado para o conversor, deve-se levar em consideração as
correntes e a tensão sobre os diodos. As correntes de pico, média e eficaz sobre os diodos podem ser calculadas,
respectivamente, pelas equações:
min 10 1 11PICO PICO PICOId Io Io Id Id A= + ⇒ = + ⇒ =
10.0,45 4,5médio máx médio médioId Io D Id Id A= + ⇒ = ⇒ =
. 2. 10. 2.0,454,74
2 2máx
eficaz eficaz eficaz
Io DId Id Id A= ⇒ = ⇒ =
Para encontrar o melhor diodo a ser utilizado no projeto, também devemos saber qual a tensão
estará sobre ele. Esta tensão é encontrada aplicando-se a equação:
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3801,0 21,27
2 2 8,93máx
máx máx
ViVD VD VD V
N= − ⇒ − ⇒ =
⋅ ⋅
No projeto foi utilizado o diodo TO247AC (DATASHEET TO247AC, Vishay Semicondutor,
2008), pois pode suportar as especificações do projeto.
3.3 Resultados obtidos
Está e a topologia na qual foi submetida à simulação com o auxílio do software PSIM e os
resultados estão descritos abaixo.
Figura 3.4: Topologia do conversor half-bridge
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Figura 3.5: Espectro de tensões e correntes de saíd a do conversor half-bridge
Tabela 4: Resultados obtidos na simulação do conver sor half-bridge
Tensão de entrada
Vi (Vdc)
Tensão de saída
Vout(Vdc)
Tensão de saída
Vo+ (Vdc)
Tensão de saída
Vo− (Vdc)
Razão cíclica
D
260 24,58 12,29 -12,29 0,45
380 4,16 2,08 -2,98 0.3078
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3.4 Considerações finais
Com a base teórica apresentada neste capítulo, somada ao equacionamento e projeto de
conversor half-bridge, é possível implementar, na prática, um conversor DC/DC de 240W com entrada de
260Vdc até 380Vdc e saída de 24Vdc, constante e estável.
Os valores simulados para 380Vdc apresentaram uma discrepância devido a ligação do
circuito simulado em questão estar em malha aberta, ou seja, sem o circuito de controle. Na pratica com o
circuito de controle será possível comprovar seu funcionamento e eficiência.
Um conversor como este pode ser usado em várias aplicações industriais, nas quais há uma
fonte constante; as aplicações típicas incluem controle de motores DC para a tração elétrica, chaveamento de
alimentadores de potência, fontes de alimentação de potência, fontes de alimentação de funcionamento
contínuo e equipamentos operados por bateria (AHMED, 2000).
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4 BUCK EQUIVALENTE
4.1 Introdução
O circuito de controle compreende a saída da fonte como um conversor Buck chamando
então de Buck Equivalente. Este modelo serve para a analise de estabilidade da fonte por realimentação por
amostragem de tensão de saída.
Toda fonte que funcione sobre o princípio de controle de malha fechada deve possuir um
circuito de controle, seja ele de forma analógica ou digital, e conseqüentemente o Buck Equivalente.
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4.2 Procedimento de projeto
DmaxBuck 2 Dmax⋅:= "Razão Ciclica - Conversor Buck"
fsBuck 2 fs⋅:= "Freqüência de Chaveamento - Conversor Buck"
VimaxBuck
Vimax 2 Vcesat⋅−
Nrel
VD−:= "Tensão Máxima de Entrada do Buck"
ViminBuck
Vimin 2 Vcesat⋅−
Nrel
VD−:= "Tensão Mínima de Entrada do Buck"
RCBuck Rse:= "Resistência Série do Capacitor"
RLBuck Rind:= "Resistência Série do Indutor"
16,238,93
1,819p
s
NN N N
N= ⇒ = ⇒ =
A tensão máxima de saída para o Buck equivalente será de:
38042,55
8,93BUCK BUCK BUCK
máxmáx máx máx
ViVi Vi Vi Vdc
N= ⇒ = ⇒ =
Já a tensão mínima de saída para o Buck equivalente será de:
minmin min min
26029,11
8,93BUCK BUCK BUCK
ViVi Vi Vi Vdc
N= ⇒ = ⇒ =
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"Frequência de Oscilação"Cf1.15
Rf fs⋅:=
"Valor Adotado para o Resistor"Rf 2400:=
R5R6 α−
α:=
R4R4A R3⋅
R4A R3+:=
R4AR1 R2⋅
R1 R2+:=
R1C1R1
C1:=
C1C2R3 C1R1−
330 103⋅:=
R2C1R1
C2:=
C2C2R3
1 106⋅:=
C2R3 L1 CT⋅:=
C1R1 CT RCBuck⋅:=
C2R2α Kc⋅ VimaxBuck⋅
2 π⋅ Vcm⋅ fc40%⋅:=
R6 1000:=R3 1 10⋅( )6:=Vcm 2.5:=Kc 1:=α5
Vo:=
fc40% fc 0.6⋅:=
"Frequência de Corte"fc
fs
2 π⋅ DmaxBuck⋅:=
"Fator de Amortecimento, < 0,5 ainda não causa variação abrupta de fase"
ξCT Rx⋅ WR⋅
2:=
WR1
L1 CT⋅:=
"Valor de Rx"Rx 50 10 3−⋅( ) RCBuck+ RLBuck+L1
CT Ro⋅+:=
"Resistência da Carga"Ro
Vo
Iomax:=
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4.3 Considerações finais
Com a implementação deste conversor no projeto, é possível tornar os valores desejados em
seus parâmetros. Esta habilidade de transformar um sinal DC em outro DC abre um leque enorme de
possibilidades de uso, que variam de no-breaks até fontes de alimentação para aeronaves (AHMED, 2000),
passando por motores, televisores e computadores, entre outros, além de possuir um controle de fácil
construção, como será visto no próximo capítulo.
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5 CONTROLE PARA O CONVERSOR AC/DC
5.1 Introdução
Até este momento foi visto a importância dos conversores DC/DC e AC/DC e suas formas de
operação. Contudo, sem um controle apropriado o conversor ele não possuirá utilidade alguma. É deste
controle que virá a geração dos sinais de comando das chaves do conversor a partir das amostras de corrente
e tensão retiradas do conversor buch equivalente.
Primeiramente, será abordado o controle para o conversor DC/DC e, em seguida, as
proteções do sistema.
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5.2 Método de controle para o conversor DC/DC
Para que o controle de um conversor seja implementado, muitos fatores devem ser
considerados, tais como: limites de corrente e temperatura que o conversor poderá suportar, qual o valor da
tensão de entrada para que o conversor possa funcionar sem danificar-se, entre outros.
O controle deve captar estes fatores e, através do gerador de PWM, modificar o sinal que
entra nas chaves do half-bridge para que a situação-limite se altere e retorne à normalidade, ou, se for o caso,
travar o pulso de PWM em uma determinada largura de pulso ou até desativá-lo. Para uma melhor
compreensão do controle empregado no conversor, ele será representado por um diagrama de blocos, sendo
que cada bloco será analisado separadamente. Este diagrama, de uma forma simplificada, é apresentado a
seguir:
Figura 5.1: Diagrama de blocos representando o cont role para o conversor
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Como pode ser observado no diagrama acima, o bloco do conversor DC/DC é a origem de
todos os sinais que servirão de referência para o controle (tensão e corrente na saída e temperatura), que
possibilitarão ao controle tomar decisões com relação ao funcionamento do próprio conversor; o bloco A é
responsável pela geração dos pulsos PWM, os blocos B e C têm o papel de limitar os pulsos PWM em
situações-limite enquanto que o bloco D altera a largura do pulso PWM para manter a tensão de saída
estável. A análise de cada bloco será discutida a seguir:
5.2.1 Bloco A – gerador dos pulsos PWM
Para que a implementação dos pulsos de PWM pudesse ser realizada, foi empregado o
integrado SG 3525, como pode ser visto no circuito que representa o bloco A:
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Figura 3.2: Esquema elétrico referente ao bloco A
É este bloco que vai centralizar as funções de controle, ou seja, os outros blocos do controle
têm por função alterar (ou até mesmo cancelar) a geração dos pulsos PWM a partir dos sinais do conversor.
Os pulsos PWM nada mais são do que uma largura de pulso ONT variável em relação a um
período T fixo; é justamente este PWM que definirá a quantidade de energia que será fornecida à carga.
Assim sendo, nota-se a extrema importância do componente SG 3525 (DATASHEET SG3525, Motorola, 1996)
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no controle do conversor, já que todos os outros blocos do circuito de controle comunicam-se com o bloco A
através de conexões com o SG 3525. A figura 3.3 revela o esquema elétrico interno ao CI em questão:
Figura 3.3: Circuito interno ao CI SG3525
Com uma freqüência ajustável entre 100 Hz e 400 kHz, dependendo dos valores de
resistência e de capacitância nos pinos 5 e 6, respectivamente. Este CI possui duas saídas iguais, entretanto,
defasados em 180o (pinos 11 e 14), o que se encaixa perfeitamente as necessidades do conversor half-bridge,
onde, como já mencionado, as suas chaves não podem conduzir ao mesmo tempo.
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O pino 7 do CI, como visto em seu esquema elétrico, é o responsável pela descarga do
capacitor de ajuste de freqüência, de forma a se manter constante os pulsos do componente.
Para o ajuste do soft-start (TREVISO, 2005), imprescindível no funcionamento do conversor,
ao pino 8 do CI é conectado um capacitor ligado ao terra; depois de carregado, torna-se um circuito aberto.
A interação existente entre o bloco de geração da PWM com os demais blocos de controle
dá-se através dos pinos 1, 2 e 9, que possuem a função de controlar ou modificar a largura do pulso de saída
do CI que controlam as chaves do conversor. Os pinos 1 e 2 referem-se, respectivamente, às entradas
negativa e positiva de um amplificador operacional que, através da diferença entre suas entradas, irá gerar
uma tensão de erro, ou seja, a diferença de tensão exercida pelo bloco de controle de tensão (bloco D) irá
reger os pulsos PWM.
O sinal no pino 9 possui a função de comandar a razão cíclica das chaves (através do bloco
A). Contudo, é essencial para uma atuação instantânea na limitação do sinal de PWM, através da ação do
bloco C (comparador de corrente), conectado ao pino 9, sendo possível a ação do limitador de corrente trave
o PWM, impedindo, assim, alterações provocadas pelos pinos 1 e 2 (amplificador de erro). Desta forma, ao
agir o limitador, este irá sobrepor-se ao bloco limitador de tensão, que não exercerá influência no controle e
geração dos pulsos de PWM. No diagrama de blocos do controle este fato é representado por um diodo entre
os blocos C e D (comparador de tensão).
A proteção do sistema contará com um botão que será conectado ao bloco A (PWM) através
do pino 10 do CI 3525 (shutdown), diante de um nível lógico alto, seta o latch do PWM interno ao
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componente e desliga as saídas do CI, interrompendo o funcionamento do conversor. Desta forma, caso a
proteção acione o shutdown, o conversor é desligado; no caso de ser a proteção de sub-tensão que venha a
acionar o shutdown, então o conversor somente poderá retornar ao funcionamento se a chave geral for
desligada e religada, como será visto com mais detalhes na descrição da configuração de controle empregada
no projeto.
Por fim, no pino de terra existe um diodo para evitar retorno de corrente, enquanto que o
pino 16 do SG 3525 fornece a tensão de referência para os blocos de limitação de corrente (B e C) e de tensão
(D), de forma que estes valores de tensão sejam estáveis, cooperando para um funcionamento efetivo do
controle.
5.2.2 Bloco B – amplificador de corrente
O circuito que amplifica o sinal coletado na liga de constantan ( SR ) para o controle da
corrente é mostrado na figura 3.4:
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Figura 3.4: Esquema elétrico referente ao bloco B
Este bloco possui o papel fundamental de coletar a tensão sobre a liga de constantan, um
material com resistência muito baixa, onde esta tensão (também de valor muito baixo) é proporcional à
corrente que passa pela liga; desta forma, é possível amostrar a corrente de saída do conversor. Isso é muito
importante, para o controle da corrente de saída (bloco D). Por exemplo, se a carga, por algum problema,
aproximar-se de um curto-circuito, a corrente exigida na saída tenderá ao infinito e para evitar esta situação,
o bloco C, formado por um operacional que realizará a subtração do valor proveniente do bloco B com um
valor de referência para a corrente, irá limitar o PWM de forma instantânea, através do pino 9 do 3525 no
bloco A, como já explanado.
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Contudo, o valor amostrado da liga de constantan é baixo demais para servir de
comparação, o que resulta na existência deste bloco de amplificação de corrente, que, através de um
amplificador operacional e de um resistor de 100kΩ em sua realimentação negativa, consegue amplificar
suficientemente o sinal amostrado (cem vezes) para servir de comparação. Este sinal que sai do amplificador
operacional, por sua vez, aumenta se a tensão sobre a liga diminui e diminui se a tensão sobre a liga aumenta.
Como a tensão é diretamente proporcional a corrente, se a corrente de saída aumenta, o sinal que sai do
bloco B para subtração no bloco C diminui, devido à própria implementação do amplificador de corrente visto
no esquema elétrico do bloco B. No próximo bloco ficará evidente a necessidade desta lógica de controle.
5.2.3 Bloco C – comparação de corrente
O circuito que realizará a subtração da amostra de corrente da saída do conversor já
amplificada, com uma corrente de referência, de forma a manter o circuito protegido contra elevações de
corrente é mostrado na figura 3.5:
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Figura 3.5: Esquema elétrico referente ao bloco C
Neste bloco, um amplificador operacional fará a subtração entre o sinal de tensão
proporcional à corrente de saída amplificada com o sinal de tensão proporcional à corrente de referência,
ajustada através de um potenciômetro, onde a amostra é conectada à entrada positiva e a referência à
entrada negativa do operacional. Esta lógica, somada à lógica implementada no bloco B, são necessárias
devido ao fato de que o pino 9 do SG 3525 no bloco A limita o PWM quando recebe nível lógico baixo. Desta
forma, se a corrente de saída aumenta, o sinal que sai do bloco B diminui; se diminuir a um valor abaixo do
valor de referência, o operacional do bloco C irá saturar-se negativamente enviando um nível baixo ao pino 9
do SG 3525 limitando o PWM.
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5.2.4 Bloco D – comparação de tensão
É este bloco que irá vigiar o valor de tensão que sai do conversor e que trabalha para mantê-
lo com o mesmo valor. Seu circuito elétrico é mostrado na figura 3.6:
Figura 3.6: Circuito referente ao bloco D
A tensão de saída é amostrada do pino BF , proveniente de um potenciômetro na saída do
conversor, que possui por função ajustar o valor de tensão de saída do conversor no valor de 180VDC. Esta
tensão é subtraída, através de um amplificador operacional, com uma tensão de referência de +5V, que vem
do pino 16 do SG 3525 (bloco A). Caso a tensão BF diminua a ponto de ser menor que a tensão de referência,
o operacional sinalizará com um nível lógico baixo (pois BF está conectado à entrada negativa do
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operacional), via pino 2 do SG 3525, ao amplificador de erro interno ao CI, que, ao identificar que houve uma
queda no valor de tensão (comparando com um valor de tensão referente ao bloco B, que, por sua vez, está
conectado à entrada positiva do amplificador de erro) imediatamente aumentará a razão cíclica dos pulsos
que governam o conversor, forçando um aumento de corrente na saída do mesmo, o que implica em um
aumento de tensão, que resulta, também, em um aumento no valor de BF . Assim, a razão cíclica aumenta
até o ponto em que BF volta a possuir um valor maior que a tensão de referência, que faz com que a razão
cíclica diminua e se normalize. A desvantagem encontrada neste método é o fato de que, se a carga diminuir,
ou até mesmo tornar-se um curto, a corrente que a razão cíclica irá impor poderá, dependendo do caso,
tender a infinito. Para contornar este problema, os blocos B e C, já discutidos, limitam a corrente de saída do
conversor.
O capacitor na saída do conversor evita pequenas flutuações no valor de tensão de saída
que poderia prejudicar o funcionamento do bloco de comparação de tensão, alterando indevidamente, o
valor de BF .
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5.3 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE O CONTROLE
O controle tem suma importância para qualquer projeto na área de eletrônica de potência.
Sem ele, nenhum modelo de conversor ou de inversor pode funcionar; a dependência destes circuitos com o
controle é total, tanto na geração dos sinais que controlam o funcionamento das chaves, quanto na
manutenção do valor de tensão de saída, considerando também outros fatores, como limitadores de corrente
e de temperatura. Em vista desta importância, em qualquer projeto deve-se atentar cuidadosamente para o
controle, no sentido em que este cubra todos os fatores envolvidos no conversor e/ou no inversor projetado.
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6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Em testes com carga resistiva, o conversor obteve valores de tensão e corrente coerentes
com o projeto do mesmo; sua tensão foi calibrada em 24Vdc, e sua freqüência ajustada através do
potenciômetro o mais próximo possível de 60Hz, como pode ser observado na tabela 4 do capitulo 3.
Com relação ao controle do conversor DC/DC, tanto o sensor de tensão quanto o limitador
de corrente funcionaram com eximia precisão, realizando as funções para as quais foram projetados. Para a
proteção implementada o resultado também esteve dentro do esperado: Nas condições de limite, tanto de
elevada temperatura quanto de sub-tensão, a proteção cancelou de forma imediata a geração dos pulsos de
PWM.
Para o controle do conversor foi utilizado um sistema em malha fechada e componente
discretos; contudo, poder-se-ia implementar um controle para o conversor que seja microcontrolado em
malha fechada, melhorando, desta forma, a questão do espaço ocupado pelo conversor e tornando
desnecessário qualquer ajuste de freqüência e de razão cíclica, como os que foram requisitados neste projeto.
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Referências bibliográficas
AHMED, A., Eletrônica de Potência; tradução Bazán Tecnologia e Lingüística; revisão técnica João Antonio Martino. São Paulo: Prentice Hall, 2000.
BARBI, I., Projetos de Fontes Chaveadas: 2ª ed. Florianópolis: Edição do Autor, 2007.
CHOUERI Jr, S., CRUZ, E.C.A., Eletrônica Aplicada: 2ª ed. São Paulo: Érica, 2008.
SEDRA, A., S., SMITH, K.C., Microeletrônica. 4 ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2000
TREVISO, C.H., Eletrônica de Potência; Londrina: Universidade Estadual de Londrina, 2005.
___________,Fontes Chaveadas; Londrina: Universidade Estadual de Londrina, 2009.
DATASHEET LM 324. Disponível em: < http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/11666/ONSEMI/LM324.html>. Acesso em: 17 jan. 2010.
DATASHEET SG 3525. Disponível em: < http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/5632/MOTOROLA/SG3525.html>. Acesso em: 17 jan. 2010.
DATASHEET 7812. Disponível em: < http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/4486/MOTOROLA/LM340A.html>. Acesso em: 17 jan. 2010.
DATASHEET diodo TO247AC, Vishay Semicondutor, 2008. Disponivel em: <http://www.vishay.com/doc?94209>. Acesso em: 21 jan. 2010.
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DATASHEET MOSFET 2SK3757, Toshiba, 2009. Disponível em: <http://www.toshiba.com/taec/components2/Datasheet_Sync//75/12087.pdf>. Acesso em: 21 jan. 2010.
DATASHEET diodo, TO200AB, Philips, 2004. Disponível em: < http://www.nxp.com/documents/data_sheet/BYT28_SER.pdf>. Acesso em: 21 jan. 2010.
ANEXO A - CIRCUITO COMPLETO
ANEXO B – CATÁLOGO SIMPLIFICADO DE NÚCLEOS DE
FERRITE DO TIPO EE
Designação Ap (cm 4) Le (cm) Ae (cm 2)
23/10/5 0,48 4,28 0,312
30/15/7 0,71 6,69 0,597
30/15/14 1,43 6,69 1,20
42/21/15 4,66 9,7 1,82
42/21/20 6,14 9,7 2,40
55/28/21 14,91 12,3 3,54
35/33/26 36,28 14,7 5,25
ANEXO C – CATÁLOGO SIMPLIFICADO DE FIOS DE COBRE
AWG Diâmetro (cm)
Área (cm 2) AWG Diâmetro (cm)
Área (cm 2)
1 0,735 0,423 16 0,129 0,130000
2 0,654 0,336000 17 0,115 0,010400
3 0,583 0,266000 18 0,102 0,008180
4 0,519 0,212000 19 0,091 0,006500
5 0,462 0,168000 20 0,081 0,005176
6 0,411 0,133000 21 0,072 0,004105
7 0,366 0,105000 22 0,064 0,003255
8 0,326 0,083500 23 0,057 0,002582
9 0,290 0,066500 24 0,051 0,002047
10 0,259 0,052700 25 0,045 0,001624
11 0,230 0,041500 26 0,040 0,001287
12 0,205 0,033000 27 0,036 0,001021
13 0,183 0,026300 28 0,032 0,000810
14 0,162 0,020900 29 0,029 0,000642
15 0,145 0,016500 30 0,025 0,000509
ANEXO D – VALORES DE K J E X PARA ALGUNS TIPOS DE
NÚCLEO
NÚCLEO JK
Temperatura entre 20 e 60 oC
X
POTE 74,78 . ∆T0,54 +0,17
EE 63,35 . ∆T0,54 +0,12
X 56,72 . ∆T0,54 +0,14
RM 71,7 . ∆T0,54 +0,13
EC 71,7 . ∆T0,54 +0,13
PQ 71,7 . ∆T0,54 +0,13