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SATC - ASSOCIAÇÃO BENEFICIENTE DA INDÚSTRA CARBONÍFERA DE
SANTA CATARINA
FACULDADE SATC – ENGENHARIA ELÉTRICA
CONVERSOR BUCK (CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR)
AVANÇO 1 - DRIVE DO CONVERSOR
Anderson Rovani
Deivid Mioteli
Mateus Bortolatto
Max Gabriel Steiner
Criciúma, SC – Setembro de 2016
2
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama Esquemático CI 555 em modo astável. .............................. 7
Figura 2: Optoacoplador 4n25. ........................................................................... 8
Figura 3: Diagrama elétrico driver para MOSFET .............................................. 9
Figura 4 - Transistor BC548 ............................................................................. 10
Figura 5 - Optoacoplador 4n25. ........................................................................ 10
Figura 6 - Potenciômetro miniatura variável - Trimpot ...................................... 11
Figura 7 - Diodo 1N4007 .................................................................................. 11
Figura 8 - Capacitor cerâmico. ......................................................................... 11
Figura 9 - Circuito oscilador com NE555. ......................................................... 12
Figura 11 - Zoom do sinal de saída do NE555. ................................................ 13
Figura 10 - Saída do NE555. ............................................................................ 13
Figura 13 - Circuito com o NE555 e o optoacoplador 4N25 juntos. .................. 14
Figura 12 - Circuito com o optoacoplador e o transistor. .................................. 14
Figura 14 - Sinal de entrada do gate do Mosfet. .............................................. 15
Figura 15 - Circuito com o Mosfet IRFZ44N ..................................................... 15
Figura 16 - Circuito final do Drive. .................................................................... 15
Figura 17 - Sinal de acionamento do Mosfet. ................................................... 16
Figura 18 - Zoom do sinal de acionamento do Mosfet. .................................... 16
Figura 19 - Trilhas do circuito prático a ser montado. ...................................... 17
Figura 20 - Circuito em 3 dimensões, previsto pelo software Proteus. ............. 17
Figura 21 - Circuito do drive finalizado. ............................................................ 18
Figura 22 - Trilhas do circuito finalizado. .......................................................... 18
Figura 23 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio durante a medição do
sinal da saída do NE555. ................................................................................. 19
Figura 24 - Sinal de saída do NE555. .............................................................. 19
Figura 25 - Saída para o Gate do Mosfet. ........................................................ 20
Figura 26 - Sinal de saída para o Gate do Mosfet. ........................................... 20
Figura 27 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio no dreno do Mosfet. 21
Figura 28 - Sinal do acionamento do Mosfet. ................................................... 21
Figura 29 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio para a leitura e ajuste
do sinal de saída do NE555. ............................................................................ 22
3
Figura 30 - Sinal obtido da saída do NE555 após ajuste de duty cycle e
frequência corretas. .......................................................................................... 22
Figura 31 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio para a leitura do sinal
de chaveamento do Mosfet. ............................................................................. 23
Figura 32 - Sinal capturado do acionamento do Mosfet, com os valores das
resistencias já ajustados. ................................................................................. 23
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SUMÁRIO
1.0 INTRODUÇÃO 5
2.0 QUESTÕES TEÓRICAS 7
2.1 – Drives de Acionamento do Mosfet 7
3.0 QUESTÕES PRÁTICAS 10
3.1 Lista de Materiais Aplicados 10
3.2 Simulações via Softwares Computacionais. 12
3.3 Circuito Prático 17
4.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS 24
5.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 25
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1.0 INTRODUÇÃO
O projeto multidisciplinar consiste na união das disciplinas de
Conversão Eletromecânica de Energia II e Eletrônica de Potência I e tem como
objetivo a construção de um motor/gerador CC acompanhado de um conversor
CC-CC Buck para adaptar os níveis de tensão do gerador ao solicitado.
O motor/gerador CC é uma máquina capaz de converter energia
mecânica em energia elétrica, assim fornece energia para diversos sistemas,
porém essa energia gerada deverá passar por um conversor CC-CC do tipo
Buck para ser manipulada.
O conversor CC-CC Buck é um circuito eletrônico utilizado para
converter uma tensão CC em outra tensão CC de valor mais baixo e são
utilizados, por exemplo, para reduzir a tensão de baterias de laptops (12-24V),
para fornecer os poucos volts necessários para o funcionamento de
processadores.
O motor/gerador será alimentado com uma tensão CC de 12 volts e
terá um regime de rotação uniforme, sendo que a rotação nominal será
determinada nas próximas etapas do projeto, evitando ao máximo um sobre
aquecimento de sua estrutura, bem como das bobinas.
O conversor adotado será do tipo Buck com os padrões Vi = 12V, Po
= 45W, ΔILmax = 10%, Vo = 5V, Fs = 32kHz e ΔVomax = 1%.
O projeto será desenvolvido em três etapas, sendo este documento
a 1ª etapa, a etapa 1 consiste no driver de acionamento dos MOSFETs, no
qual foi construído uma placa de circuito impresso para acionar os MOSFETs
utilizados no conversor Buck CC-CC, através da utilização de circuitos
integrados e transistores bipolares de junção (TBJs).
As duas próximas etapas serão ainda realizadas e apresentadas em
outros dois relatórios, sendo a etapa 2 o projeto do conversor CC-CC através
da realização dos cálculos de dimensionamento dos MOSFETs, capacitores,
indutores e dissipadores, para o conversor tipo Buck nas especificações
fornecidas acima.
A 3ª etapa contará com pesquisas de dimensionamento e cálculo
dos parâmetros necessários para determinar o tipo de condutor das bobinas, o
6
respectivo número de espiras, características fundamentais do estator, rotor,
entre outros, bem como aqui será feita a construção e testes do projeto por
completo.
7
2.0 QUESTÕES TEÓRICAS
2.1 – Drives de Acionamento do Mosfet
O driver é um circuito de interfase entre o circuito de controle e o
circuito de potência, cujas funções são: amplificar os níveis de corrente e
tensão para acionar os transistores que se encontram em diferentes potenciais
e realizar a proteção dos transistores quando detectado um curto-circuito.
Para que este fosse devidamente elaborado, é necessária a elaboração de 03
grandes circuitos que operam em simultaneamente: circuito gerador de pulso,
circuito de isolamento e circuito de potência.
a) Circuito Gerador de Pulso:
O 555 é um circuito integrado (chip) utilizado em uma variedade de
aplicações como temporizador ou oscilador, tendo as vantagens de
simplicidade de uso, baixo preço e boa estabilidade. O CI 555 é um dos
mais populares e versáteis circuitos integrados já produzidos. É
composto por 23 transistores, 2 diodos e 16 resistores num chip de
silício em um encapsulamento duplo em linha (DIP) de 8 pinos. O 555
tem três modos de operação como modo monoestável, modo astável (o
CI 555 opera como um oscilador) e modo biestável. Para o presente
projeto aplicamos o CI 555 configurado na versão astável.
Figura 1: Diagrama Esquemático CI 555 em modo astável.
8
b) Circuito de Isolamento:
Isolados: É usado quando o terra do circuito de controle é diferente do
terminal do emissor (IGBT) ou da fonte (MOSFET). o isolamento pode
ser feito usando optoacoplador ou elemento magnético.
Não isolados: Para usar este tipo de driver, o circuito de controle deve
ficar no mesmo potencial do emissor (IGBT) ou fonte (MOSFET).
Exemplo de aplicação: conversor Boost.
Para a elaboração do nosso projeto foi empregado um opto modelo
4N25 de modelo isolado, seguindo as instruções do professor da
disciplina de eletrônica de potência, pois suas características melhor se
adequariam ao sistema.
Figura 2: Optoacoplador 4n25.
c) Circuito de Potência: Para que o circuito do timer não sofra
perturbações geradas pelo circuito de potência, este será isolado
através de um optoacoplador. Optoacoplador é um componente
eletrônico capaz de fazer o isolamento de algumas partes do circuito,
por necessitar de baixa potência de operação, ser muito mais rápido,
aprova de interferência e ser muito menos que um relé, está ganhando
cada vez mais lugar no mercado de automação. Geralmente conectado
a um tiristor ele assegura que, mesmo em caso de uma grande
descarga elétrica o circuito eletrônico lógico continue operando o que
limita o estrago a alguns poucos componentes.
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Figura 3: Diagrama elétrico driver para MOSFET
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3.0 QUESTÕES PRÁTICAS
3.1 Lista de Materiais Aplicados
MATERIAL QUANTIDADE VALORES UTILIZADOS
CI NE555 1 -
BC548A 1 -
EL 4N25 246 1 -
TRIMPOT 5 5KΩ, 10KΩ
1N4007 1 -
CAPACITOR 2 100nF
CAPACITOR 1 10nF Tabela 1 - Materiais utilizados no circuito do drive.
Circuito Integrado NE555
O NE555P trata-se de um moderno e compacto circuito integrado
utilizado para cronometragem de precisão, de forma a produzir atrasos de
tempo ou mesmo oscilação precisa e compatível ao LM555.
Transistor BC548A
O transistor é um componente de circuito
eletrônico, cujo nome vem do termo transfer resistor,
ou seja, resistor de transferência, que se tornou
popular nos anos de 1950, sendo ele o grande
responsável pela revolução da eletrônica. Uma de
suas principais funções é a de aumentar e chavear os
sinais elétricos.
Opto Acoplador 4N25
Optoacoplador é um componente
eletrônico capaz de fazer o isolamento de algumas
partes do circuito,por necessitar de baixa potência
de operação,ser muito mais rápido, a prova de
inter-ferência e ser muito menos que um relé, esta
ganhan-do cada vez mais lugar no mercado de
automação.
Figura 4 - Transistor BC548
Figura 5 - Optoacoplador 4n25.
11
Trimpot
É um resistor ajustável cujo cursor é acoplado
a uma base plana giratória vertical ou horizontal,
dificultando o acesso manual. usados em circuitos em
que não se deseja mudança frequente da resistência.
Diodo 1N4007
Diodo semicondutor é um elemento ou
componente eletrônico composto de cristal
semicondutor de silício ou germânio numa película
cristalina cujas faces opostas são dopadas por
diferentes materiais durante sua formação, que causa
a polarização de cada uma das extremidades.
Capacitor Cerâmico
O capacitor cerâmico é obtido a partir de
um tubo ôco de cerâmica sendo, depositadas por
meios eletrolíticos uma armadura internamente e
outras externamente. Outro tipo é o construído com
pedaços planos de cerâmicas onde as armaduras são
depositadas nas faces. Para se obter maior
capacitância podem ser empilhados diversos
conjuntos.
Figura 6 - Potenciômetro miniatura variável - Trimpot
Figura 7 - Diodo 1N4007
Figura 8 - Capacitor cerâmico.
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3.2 Simulações via Softwares Computacionais.
Para poder iniciar
o projeto do drive do
conversor (conversor este
que será calculado,
simulado e montado num
próximo avanço), foi
disponibilizado para todos
os grupos uma planilha de
cálculos para que todos
pudessem configurar e
simular o circuito, tendo o
NE555 no modo oscilador
(astável), como já foi citado
no presente relatório.
Preenchendo tal planilha
com os dados iniciais (Vcc de
12 volts, frequência de 32kHz, duty cycle de 50% e C1 com capacitância de
10nF (o valor de C1 deveria ser escolhido, e foi, de forma arbitrária)), e esta,
nos dispôs os valores de resistência sendo Na
Figura 9, vemos o circuito montado no software Proteus.
Simulando este circuito, obtivemos o resultado apresentado Figura
10.
Figura 9 - Circuito oscilador com NE555.
13
Para melhor analisar o sinal resultante, segue abaixo a Figura 11,
sendo ela, um corte feito na Figura 10.
Figura 11 - Zoom do sinal de saída do NE555.
Figura 10 - Saída do NE555.
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Analisando o resultado acima, observamos que o período T leva
aproximadamente 15,4 us. Assim, podemos calcular a frequência desse nosso
sinal, sendo
. O duty cycle observado no resultado
da simulação foi de aproximadamente 50%, como calculado na planilha.
Observa-se o Vcc sendo 12 volts.
Feita esta
análise, o grupo montou
uma parte a mais do
circuito. Esta parte pode
ser observada na Figura
12 ao lado. Trata-se do
opto acoplador junta-
mente com o transistor
BC548.
Acoplando o circuito da Figura 9 com o circuito da Figura 12, temos
o circuito da Figura 13, abaixo.
Figura 13 - Circuito com o NE555 e o optoacoplador 4N25 juntos.
Analisando o nó de saída para o acionamento do Mosfet (Sinal Gate
Mosfet, indicado na Figura 13), obtivemos o sinal que segue na Figura 14,
abaixo.
Figura 12 - Circuito com o optoacoplador e o transistor.
15
Por fim, o grupo
simulou o acionamento do Mosfet,
que inicialmente foi montado e
simulado separadamente. Pode-
mos ver na Figura 15. Assim,
juntando este circuito, com o da
Figura 13, temos a Figura 16,
abaixo.
Figura 14 - Sinal de entrada do gate do Mosfet.
Figura 15 - Circuito com o Mosfet IRFZ44N
Figura 16 - Circuito final do Drive.
16
Simulando este circuito, obtivemos o resultado apresentado na Figura 17,
abaixo.
Figura 17 - Sinal de acionamento do Mosfet.
Analisando, finalmente, o sinal obtido pelo chaveamento do Mosfet,
observamos que o período
T leva em torno de 15,6 us.
Assim, a frequência de
chaveamento permanece
praticamente a mesma que
a que saía do NE555:
.
Porém, o duty cycle não
permaneceu o mesmo.
Analisando a Figura 18,
vemos que o Mosfet fica em
estado de condução durante
aproximada-mente 11,4 us.
Em estado de corte, fica em
torno de 4,2 us (73,1% e
26,9%, respectivamente).
Figura 18 - Zoom do sinal de acionamento do Mosfet.
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3.3 Circuito Prático
O circuito foi montado no software Proteus. Este mesmo circuito, foi
utilizado para ser impresso e montado na prática. Ainda, o software Proteus
possui uma ferramenta, que tem por função a criação de PCIs (placas de
circuito impresso), e foi desta ferramenta que o grupo utilizou para elaborar o
circuito prático. As trilhas do circuito podem ser visualizadas na Figura 19.
Figura 19 - Trilhas do circuito prático a ser montado.
Esta ferramenta de criação de PCIs do software Proteus, também
dispões de uma visualização em 3 dimensões do futuro circuito, que virá ainda
a ser montado. Observa-se na Figura 20, a imagem do circuito gerada pelo
software.
Figura 20 - Circuito em 3 dimensões, previsto pelo software Proteus.
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Feita a corrosão, a perfuração e a soldagem dos componentes na placa
de fenolite, obtivemos o circuito das Figuras 21 e 22, que seguem abaixo.
Figura 21 - Circuito do drive finalizado.
Figura 22 - Trilhas do circuito finalizado.
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Para iniciarmos os testes práticos, ajustamos os valores das resistências
dos trimpots de acordo com os valores simulados. Os resultados obtidos e lidos
pelo osciloscópio seguem logo abaixo da Figura 23 até a Figura 28.
Figura 23 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio durante a medição do sinal da saída do NE555.
Figura 24 - Sinal de saída do NE555.
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Figura 25 - Saída para o Gate do Mosfet.
Figura 26 - Sinal de saída para o Gate do Mosfet.
21
Figura 27 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio no dreno do Mosfet.
Figura 28 - Sinal do acionamento do Mosfet.
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Os valores dos sinais encontrados pela simulação e pela prática são
bastante semelhantes. Porém, o resultado esperado não foi obtido. Para
resolver este problema, foram ajustados os trimpots para conseguir um sinal de
saída de acordo com o esperado: frequência de 32 kHz e duty cycle de 50%.
Da Figura 29 até a Figura 32, observamos a busca pelo sinal desejado.
Figura 29 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio para a leitura e ajuste do sinal de saída do NE555.
Figura 30 - Sinal obtido da saída do NE555 após ajuste de duty cycle e frequência corretas.
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Figura 31 - Posicionamento da ponteira do osciloscópio para a leitura do sinal de chaveamento do Mosfet.
Figura 32 - Sinal capturado do acionamento do Mosfet, com os valores das resistencias já ajustados.
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4.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Até o presente momento, durante a realização deste projeto
podemos compreender melhor as características físicas e operacionais do
circuito driver de acionamento/chaveamento do interruptor MOSFET. Com o
auxílio do professor Luis Felipe, pode-se estruturar os passos iniciais de
desenvolvimento desta primeira etapa do projeto, sendo ao fim, concluída com
êxito, obtendo-se via simulação e pratica resultados satisfatórios.
Durante a realização deste trabalho, inúmeras vezes a equipe se
deparou com algumas dificuldades práticas. Porém, cada parte do circuito foi
montada, em protoboard e em sala, nas aulas de Eletrônica de Potência. Desta
maneira, foi possível encontrar e resolver tais problemas com certa facilidade,
pois havia troca de informações com o professor e também com os demais
acadêmicos. Podemos citar como exemplo, os seguintes problemas:
componentes danificados, má ligação e organização dos circuitos montados
em protoboard e algumas trocas de informações equivocadas com alguns
acadêmicos.
Devemos lembrar, que após feito o ajuste dos trimpots de maneira
prática, obtivemos na medição destes, o valor da resistência de
aproximadamente , respectivamente. A resistência de entrada
do optoacoplador 4n25 ajustada teve valor aproximado de . Após estas
alterações, o circuito passou a operar de acordo com o que havia sido
estipulado como objetivo, e que já foi comprovado no tópico anterior.
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5.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALMEIDA, José Luiz Antunes de. Eletrônica de potência. 4.ed. São
Paulo: Livros Erica Ed., 1991. 297, [2]p
BARBI, Ivo. Eletrônica de potência. 3. ed. Florianópolis: Ed. do Autor,
2000. vi, 408 p. ISBN 8590104621
BASCOPÉ, René Pastor Torrico; PERIN, Arnaldo Jose. O transistor
IGBT aplicado em eletrônica de potência. Porto Alegre: Sagra
Luzzatto, 1997. 259 p ISBN 8524105321
