Fontes de alimentação comutadas

Electrónica Analógica: Fontes de Alimentação Comutadas

03-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

Fontes de Alimentação

Comutadas

Não concordo com o acordo ortográfico



Fonte Linear vs Fonte Comutada

Os Reguladores Comutados e os Reguladores Lineares, usam técnicas bem diferentes, para produzirem uma voltagem de saída regulada, a partir de uma tensão de entrada não regulada.

Cada uma das técnicas tem as suas vantagens e desvantagens, pelo que será a sua aplicação a determinar qual a técnica mais acertada.

As Fontes de alimentação Lineares só podem baixar a tensão de entrada para produzir na saída uma voltagem de saída mais baixa.

Isto é conseguido com transistores bipolares ou Mosfet’s em série operando em modo linear: quer dizer, a condução de elemento Série, varia proporcionalmente de modo a manter constante a voltagem de saída. Funcionando deste modo, significa que haverá sempre uma queda de tensão (headroom voltage/Vdrop) entre a tensão de entrada e a de saída.

Consequentemente o regulador dissipa uma potência considerável, dada pela queda de tensão vezes a corrente da carga.

É devido a esta perda de potência que os Reguladores Lineares apresentam Rendimentos na ordem de 36 a 65%.

Por exemplo, se um regulador de 5.0 V tem uma entrada de 12 V para uma corrente de carga de 100 mA o regulador tem que dissipar 700 mW, para fornecer uma potência útil na carga de 500 mW o que perfaz um Rendimento de 42%, muito baixo portanto.

Os custos de dissipação, fazem com que os Reguladores Lineares não sejam economicamente rentáveis para aplicações superiores a 10W.

Abaixo dessa potência são contudo viáveis em aplicações de abaixamentos de tensão..Intr

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Requerem poucos componentes e são fáceis de construir.

O desenho das fontes de alimentação comutadas é complicado, sobre tudo no que se refere á sua regulação.

Fonte Linear

Fonte Comutada

A diferença de tensão entre a fonte primaria e a tensão de saída é absorvida por um elemento que controla toda a corrente que circula na carga

Entre a fonte primária e a carga coloca-se um interruptor e um filtro passivo. No interruptor nunca estão presentes duma vez tensão e corrente.

Alto rendimento

Rendimento baixo

Pequenas emanejáveis

Pesadas evolumosas

Ruidosas

Não irradiam ruído

Trabalham com a frequência da rede (ou com o dobro de esta), pelo que os componentes passivos que incorporam (bobinas e condensadores) são grandes.

Trabalham a frequências elevadas (dezenas ou centenas de KHz), o que permite usar bobinas e condensadores mais pequenos.

Complexas

Simples

Intr

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As Fontes de Alimentação Comutadas funcionam através da rápida comutação do elemento série do regulador, entre dois estados de funcionamento bastante eficientes: O Corte (cutoff), em que uma alta tensão esta aplicada ao elemento Série mas em que não há circulação de corrente; e a Saturação (saturation), em que há uma alta circulação de corrente através do elemento série mas uma queda de tensão muito pequena.

Essencialmente, o semicondutor comutador de potência, gera uma tensão AC a partir de uma entrada DC.

Esta tensão AC pode ser elevada (stepped-up) ou reduzida (stepped-down), por meio de transformadores, e depois rectificada e filtrada para DC novamente.

As Fontes de Alimentação Comutadas são muito mais eficientes, na ordem de 65 a 95%, do que as Fontes Lineares.

Um dos problemas das Fontes Comutadas é o seu desenho e construção, pois é consideravelmente mais complexa.

Adicionalmente, a voltagem de saída contém ruídos da comutação que pode ser removida por vários métodos.

Há, no entanto, uma clara diferença entre Reguladores Lineares e Reguladores Comutados; muitas aplicações requerem o uso dos dois tipos de reguladores.

Por exemplo, um Regulador Comutado fornece a regulação inicial e depois os reguladores Lineares fornecem a regulação final, aos circuitos mais sensíveis a ruídos como sensores interfaces etc.


Intr

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VT+ -

VO

+

-

Iin

IR Iin

= (VOIR) / (VinIin)

VO / Vin

IR

O rendimento depende da tensão de entrada. O conversor (regulador) só pode reduzir a tensão de entrada.

Conversores CC/CC Lineares


Cálculo do rendimento

Vin



Conversores CC/CC comutados

Carga

Regulador linear

Carga

VinPWM

VO

+

-

VO

Vin

t

Regulador comutado

Idea básica


VOut



Pequeno tamanho e peso em relação à potência. Alto rendimento 70 a 97% (os transistores (FET’s) funcionam como comutadores, ou estão no

corte ou na saturação, pelo que a potência neles dissipada é baixa). Dependendo da potência, menor custo (é economicamente indicada para circuitos cujo

consumo de energia é superior a 20W). Sistema de protecção ultra rápido. Maior interactividade com os circuitos de controlo.

Fonte comutada - desvantagens

Fonte comutada - vantagens

Componentes críticos (transformadores e integrados de controlo) não são tão usuais e fáceis de encontrar no mercado.

circuitos são mais complexos- projectos mais difíceis. Difícil manutenção em relação à linear. Quando ocorrem danos, muitas vezes, o equipamento pode tornar-se não recuperável (se não

estiver devidamente protegido).Fonte comutada - Aplicações

Computadores telemóveis

Televisões LCD, Plasma… Outros.

Maq.Foto Digitais Câmaras de Vídeo

Intr

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Especificação Regulador Linear Regulador Comutado

Eficiência 40% a 55% 60 a 95%

Regulação de Linha 0,02% - 0,05% 0,05% -0,1%

Regulação de Carga 0,02% - 0,1% 0,1% a 1/%

Voltagem de Entrada ± 10% ± 20%

Ripple de Saída 0,5mV – 2mV RMS 10 mV – 10 mV Vp-p

Frequência 50/60 Hz (ou dupla) 20 KHz a 1,5 MHz

EMI Não Severa a alta-frequência

Dissipador Sim Não

Transientes 50 µs 300 µs


Intr

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Actualmente existem reguladores com técnicas que reduzem consideravelmente a queda de tensão para menos de 1.0V chamados Low DropOut Regulators (LDO)

Como consequência aumenta consideravelmente o rendimento permitindo o uso de Reguladores Lineares em aplicações de alta potência

Aplicações usando Reguladores Lineares são mais simples e baratas, e requerem poucos componentes externos.

Aplicações Lineares são consideravelmente mais “Silenciosas” uma vez que não há ruído de comutação a alta Frequência.Reguladores LDO Combinam baixa Dropout (130-mV) com alta corrente (150-mA) num encapsulamento pequeníssimo (SC-70 Package)

Reguladores de tensão Lineares - (LDO’s)

Intr

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Em função da fonte de energia e da carga, temos 4 tipos de conversores:

Conversores AC/DC

Conversores DC/DC

Conversores DC/AC

Conversores AC/AC

Rectificadores

Fontes de alimentação

Inversores

Pouco usados hoje em dia. Tendência para ligar um rectificador e um inversor em cascata.

Fonte AC/DC ( Comutada) - portátil, de baixa potência


Intr

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Fonte Comutada Standard, da nova geração

Intr

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Fontes Comutadas Generalidades. Geralmente qualquer Fonte Comutada Standard, é composta por cinco componentes:

Um circuito Controlador de Largura de impulsos (PWM Control)

Um Transistor Comutador (Switch)

Uma Bobine (Inductor)

Um Condensador (Capacitor)

Um Díodo (Diode (Schottkys)

O Control de PWM é geralmente feito através de IC, necessário para regular a saída. O transistor “switch” é o coração da fonte comutada e controla a potência fornecida á carga. MOSFETs são mais usados do que BJTs para potências na ordem de 50W. Os transístores escolhidos devem ser de comutação rápida e suportar os picos de tensão produzidos pelas bobines.

A bobine é usada num filtro para reduzir o ripple na corrente.Esta redução ocorre porque a corrente através de uma bobine não pode mudar rapidamente. Quando a corrente numa bobine tende a baixar, a bobine tende a manter essa corrente actuando como fonte. As bobines usadas usam núcleos toroidais, por vezes de ferrite afim de reduzir as perdas em altas frequências.

O condensador é usado para filtrar o ripple na voltagem de saída. Deve ser de alta qualidade (Tantalum) e com uma ESR (Effective Series Resistance) baixa.

A função deste díodo não é rectificar, mas sim direccionar o fluxo de corrente de e para a bobine. Deve ser um díodo de comutação e recuperação rápidas (Schottkys).

Muitas fonte comutadas necessitam de uma carga mínima, de modo a garantir a circulação de corrente através da bobine.Quando a corrente na bobine não é continua a regulação torna-se deficiente.

Intr

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Fontes Comutadas - Termos usados

O termo SMPS “Switch Mode Power Supply” (Fonte de Alimentação Comutada), é usado quando se trata de reguladores ou conversores comutados.

O termo “switch mode regulator” (Reguladores comutados), é usado para descrever um circuito de entrada de tensão DC, que fornecer uma tensão de saída DC de valor mais baixo ou mais alto, com a mesma, ou polaridade oposta. Os Reguladores comutados usam uma bobine e não há isolamento entre entrada e saída.

O termo “switch mode converter” (Conversores comutados), é usado para descrever um circuito de entrada de tensão DC, que fornecer uma tensão de saída DC, simples ou múltipla, de valor mais baixo ou mais alto, com a mesma, ou polaridade oposta. Os Conversores comutados usam um transformador e fornecem isolamento entre entrada e saída.

“Fontes Lineares” são identificadas, basicamente, por ter a tensão de entrada maior que a(s) tensão(ões) de saída. A razão entre essas tensões é que faz a diferença com relação ao rendimento, ou seja, quanto maior a tensão de entrada e menor a de saída, maiores serão as perdas internas na forma de calor que precisarão ser dissipadas; o isolamento entre entrada e saída é normalmente feito através de transformador redutor da linha AC; usam reguladores lineares para controlo da tensão de saída.

“Fontes Comutadas” são aquelas que fazem a comutação de um (ou de um arranjo de) condensador e bobine - por isso o nome comutada - para manipular tensão e/ou corrente de saída. A Sua frequência de trabalho pode variar de 25 a 250 KHz ou mais.

O termo “Inverter” (Inversor), é usado para descrever um circuito de entrada de tensão DC, (normalmente comutado) que fornecer uma tensão de saída AC de valor mais baixo ou mais alto e com uma determinada frequência.

Intr

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Fontes Comutadas: Generalidades Podem baixar uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC mais e

regulada através dum circuito conversor redutor conhecido por “Buck Regulator”.

Podem elevar uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC mais elevada e regulada através dum circuito conversor elevador conhecido por “Boost Regulator”.

Podem elevar ou baixar uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC regulada.

Podem inverter uma voltagem DC não regulada para uma voltagem DC de polaridade inversa através dum circuito conhecido por “Cuk Regulator”.

Podem produzir saídas múltiplas DC directamente da Rede AC através dum circuito conhecido por “Flyback Converter”.

São também usadas em circuitos de control de velocidade de motores DC e circuitos com Factor de potência unitário. A frequência de comutação inaudível, é superior a 20KHz.

Intr

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Duplicador de tensão:

Na actualidade há muitos equipamentos portáteis que devem poder funcionar com a tensão nominal de qualquer país.É denominada “Tensão de funcionamento universal”: 85-265 V

Ao haver tanta diferença de tensão entre a mínima e a máxima, os equipamentos podem ter problemas para funcionar.Um circuito possível para solucionar o problema é duplicador de tensão

Com 230 V de entrada, o interruptor está aberto.

E funcionamento é igual que um rectificador de onda completa normal.

O condensador equivalente que verá a Rede será C/2 (2 em série)

230 V

110 V

C1

C2

Fontes Comutadas: Generalidades

Intr

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Quando a tensão de entrada é de 110 V, fecha-se o interruptor (Nas fontes mais antigas).

No total, a tensão na carga é a soma das tensões dos condensadores: V0 = 2·Vin (2·110 V = 220 V).

110 V

C1

C2

110 VD3

D4

110 V

VC1 = Vin

semiciclo positivo

V0

C1

semiciclo negativo

C1

C2

VC2 = Vin

V0

Duplicador de tensão:


D3 e D4 ficam cortados porque estão em paralelo com os condensadores.

Intr

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“Power Factor Correction” PFC – Porquê?


Intr

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É a relação entre a Potência Activa (P) (que produz trabalho) e a Potência Aparente (S) (Total; a que é medida e paga). Também chamado de cos Fi, é representado pelo coseno do ângulo formado pelos vectores das Potências Activa e Aparente.

É um número compreendido entre 0 e 1, podendo ser positivo (Factor de Potência Indutivo) ou negativo (Factor de Potência Capacitivo).


“Power Factor Correction” PFC

Intr

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O QUE É PFC? (Power Factor Correction) Leis e restrições Europeias em vigor desde 1992, impõem que todas as fontes de

alimentação de potência superior a 200VA´s, tenham um Control Activo do Factor de Potência. E é disso que iremos falar!...

A Rectificação Convencional AC, é pois, um processo pouco eficiente, da qual resultam altos custos de electricidade, e distorção na voltagem da linha AC, produzindo também um largo spectrum de harmónicas, que poderão interferir noutros equipamentos se o Factor de Potência se degradar até cerca de 0.45…

Todos os sinais sinusoidais AC rectificados, e filtrados com filtros capacitivos, debitam da rede AC, picos de corrente de grande amplitude

Fontes Comutadas: Generalidades“Power Factor Correction” PFC

Geralmente, o valor do pico da corrente é na ordem de seis (6) vezes mais, que o necessário, para a mesma potência, se a carga fosse resistiva.

Intr

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Essencialmente, o Factor de Potência, é uma medida, do modo, mais ou menos eficiente, de como a energia eléctrica está a ser usada.Um maior Factor de Potência representa maior eficiência no uso da energia eléctrica.

Isto tem importância em equipamentos electrónicos que consumam uma quantidade apreciável de energia eléctrica, onde os sistemas geradores poderiam ultrapassar os seus


“Power Factor Correction” numa SMPS, controla o “timing” e a forma de onda da corrente de entrada, de forma a mantê-la em fase e da mesma forma de onda, da voltagem fornecida pela linha AC, resultando num Factor de Potência perto de 1.0.

limites de corrente afectando assim outros equipamentos do mesmo sistema.Um equipamento electrónico normal, sem PCF tem um Factor de Potência de somente cerca de 50% (0,5).

Intr

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A Topologia mais usada em PCF é a “Boost” (elevador) mostrada na figura, independentemente do tipo de controlo ser em Modo Contínuo (CCM) ou descontínuo (DCM), que normalmente é seguido de outra topologia com isolamento galvânico de saídas múltiplas.

O que é Eficiência, numa Fonte de Alimentação ?()

É a razão entre a Potência de Entrada e a Potência de Saída expressa em percentagem.

Pout

Pin = x100%

As perdas ou Potência Dissipada serão:

C (bus)

DC (bus)

Pd= Pin – Pout = Pout 1 1


Intr

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A Topologia PFC Activa “Boost “ tem várias vantagens:

Elevado Factor de Potência - Forma sinusoidal da corrente de entrada – Reduz o valor eficaz da corrente debitada.

Entrada universal da Tensão de alimentação (85 a 265 V, 50 ou 60 Hz, por exemplo).Tensão DC (bus) regulada (tipicamente 380 a 400 VDC).Melhor eficiência no uso de C (bus) devido a #3.

O principio básico do PFC “boost”, é bastante simples: o ciclo activo (duty-cycle) do Comutador (switch), é controlado de forma que a bobine debita uma corrente sinusoidal, da linha AC.

Quando o Comutador está “on” a corrente na bobine aumentará (acumula energia).Quando o Comutador está “off” a corrente na bobine diminui á medida que a energia é

transferida para o condensador.

1. Fazer com que a corrente de entrada AC seja sinusoidal.2. Controlar a magnitude da corrente para manter a regulação na Voltagem DC de saída.3. Limitar o nível de corrente a um máximo seguro.4. Prevenir sobrecargas de tensão no condensador de saída.5. Controlar regulação de Rede, regulação de carga e outras situações.

O Circuito de Controlo tem várias funções:


Intr

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PFC passivo (filtro LC), usando bobine, circuitos de condensadores para reduzir a corrente das harmónicas, de frequência de 50/60Hz da rede AC, requer bobines e condensadores muito elevados, mesmo assim o máximo de Factor de Potência/Rendimento seria na ordem de 75 a 80%.

O PFC Activo, usando componentes activos (circuito de controlo e comutadores de potência “on” “off” de nível médio sinusoidal), cujo funcionamento teórico fundamental é ajustar a forma de onda da corrente á da tensão, da entrada AC.

Com este método, pede-se alcançar valores de Rendimento/Factor de potência próximo ou igual a 100%.

O que é PFC Activo / Passivo?


Intr

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Quais as vantagens da “Tensão de funcionamento Universal”? Elimina o selector manual de voltagem.

Elimina erros potencialmente perigosos.Acaba com as preocupações de selecção da voltagem de Alimentação AC onde quer que se

esteja.Quais as diferenças entre Selecção Manual, Selecção Automática, e Alimentação AC Universal?

Selecção Manual: 100V-120V ou 200V-240V. Selecção Automática (Auto Sensing): 100V-120V e 200V-240V Universal: 85 -265V AC (em toda a gama de Voltagens)

“Alimentação AC universal”: 85 - 265 V

Fontes Comutadas: Generalidades Exemplo

Intr

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Vantagens do PFC Activo (Comutado):

Grande poder de eliminação de Harmónicas, usando bobines com ferrite para altas frequências (25 a 250KHz ou mais).

Oportunidade para futuras reduções de custo á medida que evoluem e aumentam a produção e aperfeiçoamento de IC´s de controlo.

Uma solução mais "profissional" do que o PFC Passivo.Universalidade das tensões de funcionamento reduz os custos.Factor de potência próximo de 1 reduz custos de exploração e ambientais.

Desvantagens do PFC Passivo (LC): A produção em massa de bobines deve ser de muita qualidade, devido aos

baixos limites estabelecidos para emissão de harmónicas. O peso, que pode criar problemas de transporte (Vibração & shock), Possível escassez de ferro laminado usado nas bobines de baixas frequências

(da rede). Vibrações e ruídos se não fixado correctamente. Fraca competitividade (custo/performance) para potências até ou superiores a

300W.


Intr

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PFC – Equipamentos Electrónicos


Intr

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Primeira geração: Manual Inserção de Condensadores e

Bobines Segunda geração: Tiristores

TCR e TSC Terceira geração: Transístor

STATCOM GTO, UPFC, IGBT

• Sistema automático de correção do fator de potência feito por controlador lógico programável.

PFC – Áreas Industriais Fontes Comutadas:

Generalidades

Intr

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V i

R

C

Corrente (A)

Tensão (V)

1

Vi

0

20

Vi

IR

Vi/R

0

3

0

37.2% do valor final

Vi

t = 0

t = 62,8% do valor final

SW

Vi

1 2

IR

3

C

R

C = QV V = Q

C

Onde: C = Capacidade (Farads) Q = Carga (Coulombs)V = Voltagem (Volts)

Q = I.t

Onde: I = Corrente (Amperes) t = Tempo (Segundos)

Conclusão: A Voltagem de carga de um condensador não pode variar instantaneamente.

t

Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos

Intr

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Corrente (A)Tensão (V)

t

V i

R

L

1SW

2

IR

3

L

R

Vi

1Vi

0

20

Vi

Vi/R

3

0

IR

0t = 0 t =

Constante em tempo = = LR

37.2% do valor final

62,8% do valor final

= L/RL = V

dI/dt= (Variação de corrente no tempo)

Onde: L = Indutância (Henries) I = Corrente (Amperes)t = Tempo (Segundos)dI/dt= I/t, se I constante:

=dIdt

VL


Intr

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1

2

IR

CR

R

VB

1 0

IR 0

2 0VF

V+

-IVBreakdown

IFuga

V

VF

A função principal de um diodo é rectificar, (conduzir corrente num único sentido).

Ninguém é perfeito:Quando polarizado directamente, tem uma pequena

queda de tensão entre 0,3 e 1,2V, dependendo do material do diodo e da corrente.

Quando polarizado inversamente tem uma pequena corrente inversa na ordem de nA’s (silício) ou alguns mA’s (tipo Schottky).

Os FET’s são muitas vezes usados em sua substituição, para tensões de polarização mais baixas.


Diodos:

Intr

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Drain

Source

Gate

FSaída amplificada e invertida

F

Saída vai do Corte á Saturação

Field Effect Transistor (FET)Transístor de Efeito de Campo

Em modo linear (como amplificador linear) a saída é uma réplica invertida da entrada.

A função primária do FET é Amplificar.

Em modo de comutação (operando como comutador) a saída ou é corte ou saturação.

Ninguém é perfeito: Quanto está no corte há uma pequena corrente de fuga. Quando está na saturação tem um pequena resistência. Independentemente da maneira como seja alimentado, os

tempos “ON” ou “OFF”, não são zero. Há um capacidade entre um terminal e os outros, que se

deve carregar e descarregar cada vez que o FET comuta.

Fontes Comutadas: Teoria de Circuitos FET’s:

Intr

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1

3

2

6

5

4

Faz o acoplamento do sinal através de uma barreira isoladora. A corrente através do diodo faz com que ele emita luz , e através dela activa o transístor, pondo-o em condução.

Os optoacopladores fornecem um elevado grau de isolamento eléctrico entre a alimentação da rede e os circuitos de saída.

A maioria suporta picos de tensão na ordem de 7500V….

Fotoacoplador/Optoisolador


Intr

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Fundamentos básicos

I

De acordo com a lei de Ampere, a circulação de corrente causa um campo magnético, cuja direcção é fácil de determinar de acordo com a regra da mão direita.

IB B

Regra da Mão direita


Intr

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IN

OUT

Transformador (sem armazenamento de energia)

A soma dos ampere/Volta de todas as espiras do enrolamento é zero no final de cada ciclo.

A regra da mão direita aplica-se á corrente aplicada e ao fluxo resultante.

O oposto acontece no enrolamento do secundário não inversor.



Intr

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i pri.

Iisec.

Transformador (com armazenamento de energia)

In - 50

+15

Voltagem

Corrente (ipr.)

4.50

OUT0

+ 5

-15

Voltagem

Corrente (isec.)

Este é um transformador convencional de um conversor “Flyback”.

A energia é transferida para o núcleo magnético durante os impulsos positivos aplicados ao primário.

A energia é transferida para a carga durante a restante parte do ciclo.

A soma dos ampere/Volta de todas as espiras do enrolamento, continua a ser zero no final de cada ciclo.



Intr

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-+

FonteCarga

Elementos Básicos dos circuitos de Comutação

ToolkitPelo simples arranjo destes três componentes (Switch, bobine e diodo),

se podem esquematizar as três topologias mais comuns de reguladores de fontes comutadas.

Drain

Source

Gate



Intr

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Existem essencialmente dois métodos de conversão. O primeiro é o modo “Directo” (Forward-Mode) que se identifica pelo circuito LC ligado directamente á carga depois do elemento comutador (T), e o segundo o Indirecto (Flyback-Mode)com os mesmos elementos mas em diferente posição, tendo cada um dos métodos as suas vantagens e inconvenientes.

O primeiro método (Directo), aplica a tensão á carga quando o comutador (T) está “ON”

O segundo método (Indirecto) L armazena tensão (energia) durante o tempo em que o comutador (T) está “ON” sendo C a fornecer a carga, e aplica-a á carga e a C quando o comutador está “OFF”

Há ainda um método que aplica tensão á carga durante ambos os intervalos de tempo, sendo a combinação dos dois métodos anteriores.

Modo Directo T(on)

Modo Directo T(off)

Modo Indirecto T(ON)

Modo Indirecto T(OFF)

Metodologias de Conversão:

Intr

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Características de transferência do Modo Directo (Forward-Mode):

Características do Método Indirecto (Flyback-Mode).

Tensão de saída com baixo Ripple.Corrente em Modo contínuo na saída.Corrente pulsante na entrada. Usado em aplicações de média e alta potência.

T

ton

Vout

VIN

“OFF”

“ON” “ON” “ON”

“OFF”

Tensão de saída com Ripple elevado.Corrente em Modo contínuo na entrada.Corrente pulsante na saída.

A Escolha do método terá sempre que ser ponderada conforme as circunstâncias, tendo em conta as vantagens e desvantagens de cada um.

D = “Duty-Cycle).

Modo Directo T(off)

Modo Indirecto T(OFF)Os picos de corrente têm praticamente o dobro da amplitude das tipologias do modo directo

pelo que é usado em aplicações baixa e média potência (100 – 150W).

Metodologias de Conversão:

Intr

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Existem essencialmente dois modos de operação. O modo Contínuo e o modo Descontínuo.

No modo Contínuo, a corrente através da Bobine do filtro nunca chega a zero. Sendo a tensão de saída a média dos impulsos de tensão gerados pela bobine.

No modo descontínuo a corrente através da bobine é deliberadamente levada a zero, “secagem” (dry out), sendo o condensador a fornecer a tensão á carga durante parte do “duty cycle” (ciclo de trabalho), originando problemas de modelação da média da tensão de saída. Tem no entanto algumas vantagens para certas aplicações.

Há ainda um modo engenhoso, mas complexo que é a combinação do dois modos.

Buck Regulator

T= t(on) + t(off)

MODO CONTÍNUO MODO DESCONTÍNUO

Modos de Operação:

Intr

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Existem essencialmente dois métodos de Control. O método de Voltagem e o método de Corrente ambos variando a largura do impulso de control (PWM) (Pulse width modulation) ou “Duty cycle”.

O método de Voltagem: consiste na variação da largura do impulso de control em resposta a e erros de nível de tensão na saída. Muito simples, tem no entanto o inconveniente da fonte não estar protegida de curto-circuitos na saída.

O método de corrente: consiste na variação da largura do impulso de control (Duty Cycle) em resposta a erros de nível de tensão na saída e da corrente de saída sendo esta limitada em condições de curto circuito.

Variando Vc, varia-se o ciclo de funcionamento D.

Vc

Control

Métodos de Controlo

Intr

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Métodos de Controlo

Exemplo de circuito

(PWM) (Pulse width modulation) ou “Duty cycle” control.

Modulação por variação da largura de impulsos.Intr

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Comparadore Latch

Circuito de

Controlo

Ampl. de Erro

VREF Modo de CorrenteVCorreção (Iref)

ComparadorCircuito

de Controlo

PWM

VREF

VCorreção

Modo de TensãoAmpl. de Erro

Amostragem de Tensão

Amostragem de corrente

Andar de Potência

Amostragem de Tensão

Métodos de ControloControlos de tensão e controlo de corrente.

Intr

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Andar de Potência



Rectificação de saída e filtragem

Inversor de Alta Frequência

Circuito de Controlo

85-260 VAC

Rectificação de Entrada e filtragem

Converter uma tensão AC (110/220), numa ou várias tensões de saída DC, controladas ao nível de voltagem e corrente desejados, com isolamento galvânico.

Filtro de Entrada e Circuito PFCA

85-260 VAC

Rectificação directa da Rede AC (ausência de Transformador).

Alta frequência possibilita L’s e C’s de menores dimensões.

Dissipação de potência nos transistores de comutação praticamente nula (Corte/saturação).

Regulação de saída efectiva consoante a carga com modulação PWM.

Conversor AC-DC “OFF-LINE”

Intr

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Circuito de Controlo

110/240 AC

Converter uma tensão DC, numa tensão de saída DC controlada, ao nível de voltagem e corrente desejados, sem isolamento galvânico entre a entrada e saída .

Rectificação de saída e filtragem

A tensão DC (depois de passar pelo transformador e Rectificador) é então aplicada ao conversor/Regulador.

Alta frequência possibilita L’s e C’s de menores dimensões.

Dissipação de potência nos transistores de comutação praticamente nula (Corte/saturação).

Regulação de saída efectiva consoante a carga com modulação PWM.

Transformador/Rectificador e filtragem ou PFC Activo

Inversor de Alta Frequência

110/240 AC

Filtro de Entrada EMI/Circuito PFCp

Conversor DC-DC “ON-LINE”

Intr

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L

G

N

Input Filter Rectifier PFC

PFCControl + Bus

+ Bus

Return

+ Bus

+ BusReturn

ControlPWM

Power Stage

Xfmr Output Circuits

12 V, 3A

5 V, 10A

3,3 V, 5A

MagAmp

Reset

Fonte Universal

Intr

oduç

ão



Fontes de Alimentação

Comutadas

Topologias Básicas

Font

es C

omut

adas



Forward (Modo Directo)

Flyback (Modo Indirecto)

Half-Bridge Full-Bridge Push-Pull

Com transformador

Modo Indirecto (Flyback)

Push-Pull

Half-Bridge

Full-Bridge

Modo Directo (Forward)

ForwardIsolamento Galvânico

Buck-Boost

Flyback

BuckBoost

Sem transformador

Buck (Modo Directo)

Boost (Modo Indirecto)

CUK SEPIC ZETA

Topologias Básicas

Font

es C

omut

adas



2

5

10

20

50

1

100

200

500

700

1000

2 5 10 20 50 100 200 500 1K 2K 5K 10K Pout

Vout A Zona “A”, delimitada por 50V/50W é uma zona simples, de conversores sem isolamento galvânico, com o mínimo de componentes e complexidade tendo como desvantagem a elevada corrente dos transístores de potência.

A Zona “B”, é a mais comum, sendo de um conversor, de modo Indirecto, com isolamento galvânico e um componente magnético, chamado “Flyback”. Sendo o mais económico, faz com que seja preferidos para baixa potência e baixa tensão e com saídas múltiplas.

A Zona “C”, é uma zona onde se misturam os conversores de modo Indirecto (Flyback) e de modo Directo (Forward) com um só transistor.

Para um pouco mais de potência, entramos na Zona “D”, onde o conversor (Forward) é o mais usado. Para aplicações de maior potência Zona “E”, é vantajoso dividir a potência a comutar no primário entre vários transístores e encontramos tipologias tipo “Push-Pull”(Full-Bride, Half-Bridge e Push-Pull)

Topologias Básicas

Font

es C

omut

adas



Vo= Vin*D

Buck Regulator(Redutor)

T= t(on) + t(off)

Iin Io

D=t(on)

T

Boost Regulator (Elevador) Iin

*Vo= 1-

Io

Vin

1 D

Buck-Boost Regulator (Inversor) (Redutor/Elevador)Iin Io

Vo= 1 Vin

1 D-*-

CUK Regulator (Inversor)

DVo= *Vin

1- D-

Reguladores

SEPIC Regulator IL2

IL1

Vo=1 Vin

1 D-*

(Single-Ended Primary Inductance Converter)

Zeta Regulator

Vo=1 Vin

1 D-*

Topologias Básicas

Font

es C

omut

adas



Flyback converter

IN1

Vo=N2

N1*

D Vin1-D*

Icarga

Forward converter

Vo=N2

N1* DVin *

IN1

VQ1

IL1

D

Two Transistors Forward Converter

Vo= N2

N1

* Vin*

Half-Bridge converter

Vo= N2

N1*Vin * D

Push-Pull converter

DVo=N1

**N22Vin

Conversore

s

Full-Bridge converter

DVo=N1

**N22Vin

Topologias Básicas

Font

es C

omut

adas



(Redutor - Modo Directo)

Quando o transistor T esta “ON”, a voltagem de entrada Vi, é ligada á bobine L. A diferença de tensão entre a a entrada e a saída é então aplicada aos terminais da bobine forçando a corrente i a fluir através da bobine.

Durante o tempo em que T está “ON” a corrente da bobine é aplicada á carga e ao condensador C (que carrega durante este tempo); o diodo D está inversamente polarizado e não conduz.

Quando o transistor T vai a “OFF”, a voltagem que estava aplicada á bobine L, é removida.

Porém, a corrente i que circula pela bobine , não pode mudar instantaneamente, logo, a voltagem aos seus terminais ajustar-se-á de modo a manter a corrente constante.

A Bobine L contra reage, inverte a polaridade o diodo D fica polarizado directamente e descarga sobre a carga, sucedendo o mesmo com o condensador C.

Buck regulator

T= t(on) + t(off)

Iin Io

Regulador “Buck”

Font

es C

omut

adas



Regulador Redutor “Buck” (Step-down)

Tem uma alta eficiência.Voltagem de Saída inferior á de Entrada.Cria uma quantidade de ruído relativamente grande na linha de

entrada.Na saída do circuito o ruído que se detecta é muito baixo.

Equações:

Características:

.TD1L

VD.TLVV outoutin

2LTD1

R1DVILout

inmax

2LTD1

R1DVILout

inmin

D1L

V8.CTΔV out

2

out

in

outoninoutoutoutin V

VDouTtDondeDVVD1VDVV .

offon ttf

T 1

2f

RD1L outmin

Vo= Vin*D


T= t(on) + t(off)

Iin Io

D=t(on)

T


Font

es C

omut

adas



Formas de Onda:CCM

Vo= Vin*D


T= t(on) + t(off)

Iin Io

D=t(on)

T

Durante DxT

iQ1 = i L

Durante (1-D)xTDCM



Font

es C

omut

adas



Tensões máximas:

Balanço de Potências:

Corrente média no diodo:

Balanço de Tensões:

Balanço de Correntes:

(corrente média nula no condensador)

Balanceamento:


iDmaxQmax VVV

RVIi o

oL

DIi oQ

QLD iii D1Ii oD

0TD1VTDVV ooi DVV io

i

ooQ V

VIi

Font

es C

omut

adas



Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes discretos. Regulador Redutor “Buck” (Step-down)


Font

es C

omut

adas



Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes discretos.Formas de Onda:



Font

es C

omut

adas



Regulador Comutado “Buck” +9V, com componentes discretos.



Font

es C

omut

adas



Regulador Comutado “Buck” +9V, com componentes discretos.

Formas de Onda:



Font

es C

omut

adas



Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes integrados (TL494). Regulador Redutor “Buck” (Step-down)


Font

es C

omut

adas



Regulador Comutado “Buck” +5V, com componentes integrados (TL494).

Formas de Onda:



Font

es C

omut

adas



Comparado com o Conversor “Flyback” ou “Boost”, (Modo Indirecto) o Regulador “Buck” exibe uma voltagem de ripple de saída com menor valor pico-a-pico.

A grande desvantagem é que é uma topologia somente redutora e sem isolamento. Por questões de segurança os conversores sem isolamento galvânico não podem ser usados para voltagens de entrada superiores a 42,5 VDC.

O buck ou step-down converter (Regulador redutor) é o exemplo mais simples do Modo Directo (Forward-Mode).O Regulador “buck” pode fornecer potências até 1 KW, mas é tipicamente usado em aplicações de regulação “on Board”, cujas potências não ultrapassam os 100W. É muito usado para converter distribuições de 12V para 5V TTL, mas também de 24V para 15, 12, ou mesmo 5V para alimentar circuito electrónicos, sem grande perda de potência.

Vout VinProtecção contra curto circuito ou Overvoltage na ausência de carga, com simplicidade.VGS deve flutuar.Uso: substituir reguladores de voltagem analógicos.


Font

es C

omut

adas



O Regulador Boost, Também conhecido por conversor elevador, caracteriza-se por ter uma tensão de saída sempre mais elevada que a de entrada e tem praticamente os mesmos elementos que o Regulador “Buck”, mas numa posição diferente. O modo Indirecto está aqui presente, uma vez que não há uma transferência directa de potência da entrada para a saída.

Tratando-se de um regulador/conversor elevador, a sua aplicação inicial era gerar 25V a partir de uma fonte de 5V dos programadores de EPROM’s.

Durante o tempo em que T está “ON” a tensão de entrada é ligada á massa através da bobine L, e esta armazena energia, enquanto que carga é alimentada pelo condensador C; o diodo D está inversamente polarizado. (que carrega durante este tempo); o diodo D está inversamente polarizado e não conduz.

Iin

t(on)Vo= Vin

TT-

Boost Regulator Io

Regulador Elevador “Boost” (Step-up)Regulador

“Boost”

Font

es C

omut

adas



Quando o transistor T vai a “OFF”, a bobine L contrareage á mudança de corrente, inverte a polaridade (o diodo D conduz, que só por si impõe VoVi) e descarrega a energia acumulada sobre a carga e sobre o condensador C que vai carregar a uma tensão superior, visto não estar completamente descarregado e a bobine gerar tensão mais alta...

Como a constante em tempo RC é que o Duty-Cycle D da comutação, a voltagem na saída permanece constante.

Vout Vin

O valor de D é (0 < D < 1)o que mostra que a voltagem de saída é maior que a voltagem de entrada Vin e é por que este conversor é elevador. Vo tem o seu valor mínimo quando D = 0 em que Vo = Vi. Quando D se aproxima de 1, a voltagem de saída tende para infinito. Usualmente o valor de D é tal que 0.1 < D < 0.9 .

D= t(on)

T T=

1

f

Iin

t(on)Vo= Vin

TT-

Boost Regulator Io Regulador Elevador “Boost” (Step-up)

Regulador “Boost”

Font

es C

omut

adas



CCM

Iin

t(on)Vo= Vin

TT-

Boost Regulator Io

Durante DxT

iQ1=iL

Vii

iD=iL

Durante (1-D)xT

Formas de Onda: Regulador Elevador “Boost” (Step-up)


Font

es C

omut

adas



Tensões máximas:

Corrente média no Diodo:

Balanço de Tensões:

Balanço de Correntes:

(corrente média nula no condensador)

Balanceamento:Sempre:

io VV D1ViVo

oDmaxQmax VVV

0TD1VVTDV oii

i

ooQ V

VIi DIi oQ D1Ii oD QLD iii

RVIi o

oL

Regulador Elevador “Boost” (Step-up)Regulador

“Boost”

Font

es C

omut

adas



O IC MAX921 é o controlador do switch Q.

Consumo de potência na ordem dos microwatts. este 5V-para-15V boost converter, fornece correntes baixas com alta eficiência ( 90%).

VOUT = VREF(1 + R4/R5)

O ripple da voltagem de saída para cargas pequenas dependes das histereses do comparador. Com R3 = 2.4M, as histereses em millivolts iguala o valor de R2 em kilohms. O ripple em millivolts é igual a VREF(1 + R4/R5)(R2), onde R2 em kilohms.

Para este circuito, o ripple é: = 1.182V(1 + 18/1.5)(1) = 15.4mV.

Vantagem do Boost: Simplicidade, elevador, bom rendimento; sem problemas de magnetização.

Desvantagem do Boost: Voltagem inversa do comutador Vo »Vi; não tem isolamento galvânico entre a Entrada e a Saída; a Saída é a carga média do C de Saída.

Regulador Elevador Modo Indirecto “Boost” (Step-up)


Font

es C

omut

adas



Topologias: BOOST, SEPIC, e FLYBACK, MSOP-8 e 3mm x 3mm MLF™-10L

Vout VinNão é á prova de curto circuito.Não é á prova de ausência de carga.Uso: Equipamentos alimentados a pilhas/Baterias, como palmtops, telemóveis, flash de

câmaras digitais…

Características



Font

es C

omut

adas





Font

es C

omut

adas



Vin

Vo(med)

VCE sat T

VF.CR1

VL10

0

IcSIin(med)

I(max)

IfD

Io(med)0

IL

0

Iin-(-Io) IL

-IC

0

0Io(med)

Vo Vo

(Elevador/Redutor Inversor)O Regulador “Buck-Boost” é utilizado para inverter a polaridade da voltagem de saída em

relação á voltagem de entrada.

Vo

Vi

t(off) t(on) t(on) t(on)

t(off) t(off)

T

Regulador “Buck-Boost”

A sua tensão de saída pode ser tanto elevadora como redutora, dependendo do ciclo de trabalho. O circuito é equivalente a ter um Regulador Buck com um Boost, montados em cascata.

Font

es C

omut

adas



Buck-Boost Regulator Iin Io

Quando o comutador está “on”, a fonte fornece corrente (energia) á bobine, enquanto o condensador alimenta a carga.

Quando o comutador está “off” a bobine contra reage e fornece energia á carga e ao condensador, através do diodo.

A voltagem de saída pode ser mais elevada ou mais baixa que a voltagem de entrada dependendo do “duty-Cycle” D.

Funcionamento


A polaridade da saída é invertida em relação á entrada.

)()( offoonin tVtV

Font

es C

omut

adas



Buck-Boost Regulator Iin Io

Muito usado para gerar dupla polaridade para circuito com Ampops, Aplicações alimentadas a pilhas/baterias.

Vantagem do Buck-Boost: Simplicidade, elevador/redutor, bom rendimento; sem problemas de magnetização.

Desvantagem do Buck-Boost: Voltagem inversa do comutador Vi+Vo; não tem isolamento galvânico entre a Entrada e a Saída; grande carga do C de Saída,.elevado ripple e polaridade inversa.

Características


Font

es C

omut

adas



Comparando redutor e redutor-elevador

Redutor

50V100V

2A1A (médios)

S D

L

100W

Redutor-elevador

50V

2A

100V

1A (médios)

S

D

L100W

As solicitações eléctricas no redutor-elevador (Buck-Boost), são maiores.

Comparando “Buck - Buck Boost”

VAS = 100VA VAD = 100VA

iS=1A iD=1A iL=2A

vS max = vD max = 100V

vS max = vD max = 150V

iS=1A iD=2A iL=3A


Font

es C

omut

adas



Elevador

50V25V

2A4A (médios)

SDL

100W

Redutor-elevador

50V

2A

25V

4A (médios)

S

D

L100W VAS = 300VA VAD = 150VA

Comparando elevador e redutor-elevador

Comparando “Boost - Buck Boost”

vS max =vD max = 50V


iS=2A iD=2A iL=4A

vS max =vD max = 75V

iS=4A iD=2A iL=6A

As solicitações eléctricas no redutor-elevador (Buck-Boost), são maiores.

Font

es C

omut

adas



Regulador com 1 bobine e 1 diodo

IO

iL

R VO

+

-Vin

iL = IO /(1-d) (elevador e redutor-elevador)

t

t

O valor médio de iL depende de IO:

Comparando “Buck – Boost -Buck Boost”Modo de Condução nos 3 reguladores básicos (1)

iL iL

Control

iL = IO (reductor).

Td·T

Font

es C

omut

adas



Ao variar IO varia o valor médio de iL.

Ao variar IO não variam as dependentes de iL (dependem de Vin e de VO).

iL

iL

t

R1

t

Rcrit > R2

t

R2 > R1

Todos estes casos correspondem ao chamado “modo de condução continuo” (mcc), em que é válido o que temos visto….

Este é o caso crítico…


iL

iL

iL

iL

Font

es C

omut

adas



Segue o modo contínuo?

Modo discontínuo

O que se passa se R > Rcrit ?


t

iL

iL

Rcrit

iL

iL

R3 > Rcrit

t

iL

R3 > Rcrit

t

iL

Não!...

Comparando “Buck – Boost -Buck Boost”

Font

es C

omut

adas



Recorde-se: Ao variar IO varia o valor médio de iL.

Com parte negativa (modo contínuo a baixa carga), a tensão de saída seria a calculada em modo continuo. Quando estamos em modo descontínuo não existe a parte negativa, o que causaria que a corrente média na bobine crescesse, e, portanto, também á corrente e a tensão de saída…O comutador corta a entrada…

Comparando “Buck – Boost -Buck Boost”Comparação da tensão de saída em ambos os Modos de Condução

t

iLiL

R = Rcrit

iL

iL

R > Rcrit

t

iL

t

R Rcrit

iL

iL

Font

es C

omut

adas



Baixando o valor das bobines (aumentam as pendientes?).

Baixando o valor da frequência (aumentam os tempos em que a corrente está subindo o baixando).

Aumentando o valor da resistência de carga (diminui o valor médio da corrente pela bobine).

Comparando “Buck – Boost -Buck Boost”

Aproximações ao Modo Descontínuo

t

iL

t

iL

t

iL

Font

es C

omut

adas



Existem 3 estados distintos: Conduz o transistor (d·T). Conduz o diodo (d’·T). Não conduz nenhum (1-d-d’)·T

t

Comando

t

iL

iL

T

d·T d’·T

+

-

t

iD

iD

vL

t

Exemplo

VOVin

VOVin(d·T)

Vin VO

(1-d-d’)·T

VOVin

(d’·T)

VO

Vin

Comparando “Buck – Boost -Buck Boost” Modo de Condução Descontínuo

Font

es C

omut

adas



VOVin

(d·T)

VOVin

(d’·T)

Vin = L·iLmax /(d·T)t

iL

T

d·T d’·T

+

-

t

iD

iD

vL

tVO

Vin

iL iLmax

iLmax

Relação de transformação: M=VO / Vin :

M =d/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T)

Relação de transformação em Modo descontínuo (no redutor-elevador).

VO = L·iLmax/(d’·T)

iD = iLmax·d’/2

iD = VO /R


Font

es C

omut

adas



Relação de transformação em Modo descontinuo, M:

M = d / (k)1/2 , sendo: k = 2·L / (R·T) Relação de transformação em Modo continuo, N:

N = d / (1-d) Na fronteira: M = N, R = Rcrit , k = kcrit, kcrit = (1-d)2

Modo contínuo: k > kcrit

Modo descontinuo: k < kcrit

Fronteira entre modos de condução (no redutor-elevador).

t

iL

iL

Rcrit


Font

es C

omut

adas



N = d

2M =

1 + 1 + 4·kd2

kcrit = (1-d)

kcrit max = 1

Redutor

dM =

k

dN =

1-d

kcrit = (1-d)2

kcrit max = 1

Reductor-elevador

2M =

1 + 1 + 4·d2

k

1N =

1-d

kcrit = d(1-d)2

kcrit max = 4/27

Elevador

Comparando “Buck – Boost -Buck Boost”Generalização da relação de transformação

Font

es C

omut

adas



O regulador “buck”,o regulador “boost” e o regulador “buck-boost” , todos transferem a energia entre a entrada e a saída, através de bobine, em que a saída é através do balanceamento da tensão aos terminais da bobine. O regulador CUK usa transferência capacitiva da energia, baseada no balanceamento da corrente através do condensador. O principio de funcionamento é similar ao do Regulador “buck-boost” sendo também inversor de polaridade.

Quando o transistor está “on” a corrente em C1 é IL1.

Daí que relação de voltagens é a mesma que a do Regulador “buck-boost”

Quando o transistor está “off” a corrente em C1 é IL2.

IL1 C1

L2

IL2C1L1

CUK Converter

Regulador “CUK”

)(

)(

on

oninout tT

tVV

Funcionamento

Font

es C

omut

adas



A vantagem do regulador CUK é que as bobines de entrada e da saída criam uma forma de onda mais suave da corrente, havendo transferência de energia tanto quando o comutador esta “ON” como quando está “OFF”, havendo sempre transferência de energia, a saída é idealmente livre de Ripple (não seria necessário o C de saída), melhor do que nos reguladores buck, boost e buck-boost. Têm, no entanto, pelo menos um lado em que a corrente é por impulsos, prejudicando assim o “Factor de Potência”…

Daí que relação de voltagens é a mesma que a do Regulador “buck-boost”

CUK Converter

Vantagens do CUK: Alta eficiência, há sempre circulação de corrente entre a Entrada e a Saída, elevador/redutor, á prova de curto circuito, Inversor de polaridade.

Desvantagem do CUK: Picos de corrente muito elevados nos circuitos comutadores, Ripple de corrente elevado no C de acoplamento, Voltagem inversa do comutador e em C1=Vi+Vo. Sem protecção de ausência de carga.

Regulador “CUK”Características

Font

es C

omut

adas



Td·T

t

tControl

vD

-Vin

Balanceamento dos “volts/segundo” na bobine do elevador… Vi = Vin/(1-d)

A tensão de saída é a média da tensão no diodo:VO= d·Vin VO = Vin·d/(1-d)

CUK Converter

d1-d

Elevador Redutor

Regulador “CUK”Redutor-Elevador

Font

es C

omut

adas



Vi = Vin/(1-d) VO = Vin·d/(1-d)

vDS max = vD max = Vi = Vin/(1-d)

Tendo em conta que as correntes médias nos condensadores são zero:

iQ1 = iiniD = iOOs esforços eléctricos são os mesmos que no regulador “Buck-Boost”.

Vi = Vin + VO

CUK Converter

iOiin

+

-vD+

-vDs

Regulador “CUK”Redutor-Elevador

Font

es C

omut

adas



Regulador Cuk em Modo descontinuo

(1-d-d’)·TVin VO

Vi

iL2iL1

d’·TVin VO

Vi

iL1

iL2

d·TViVin VO

iL1

iL2

t

di/dt = Vin/L1

di/dt = VO /L1

di/dt = VO /L2

di/dt = Vin/L2

iL2

iL1

Regulador “CUK”

Vi = Vin + VO

t

iL1 + iL2

Font

es C

omut

adas



di /dt = Vin/L1 + Vin/L2

di/dt = VO /L1 + VO /L2

Chamando:

1/Leq = 1/L1 + 1/L2

fica:

Vin /L1 + Vin /L2 = Vin /Leq

VO /L1 + VO /L2 = VO /Leq

Esta é a mesma situação que teríamos no regulador redutor-elevador (Buck-Boost).

k = 2·Leq / (R·T)d

M = k

kcrit = (1-d)2 kcrit max = 1

Regulador Cuk em Modo descontinuo

Regulador “CUK”

t

iL1 + iL2

A fórmula é a mesma, usando Leq como indutância:

Font

es C

omut

adas



vL1 = vL2 = Vin

vL1 = vL2 = -VO

vL1 = vL2 = 0

Para ambos os modos: As mesmas tensões em L1 e L2

vL1+ -

d·TVin

VOVin + VO

vL2- +

L1L2

d’·TVin

VO

vL2- +

vL1+ -

Vin + VOL1 L2

(1-d-d’)·TVin

VO

vL1+ -

vL2- +

Vin + VOL1 L2

Regulador Cuk em Modo descontinuo: Propriedade interessante

Regulador “CUK”

Font

es C

omut

adas



SEPIC (Single - Ended Primary Inductance Converter)

O conversor SEPIC tem as mesmas características estáticas do conversor Cuk, apresentando também as mesmas formas de onda de corrente. As tensões sobre os comutadores também têm o mesmo valor, ou seja, devem suportar a soma das tensões de entrada e de saída.

SEPIC Regulator

IL2

IL1

Regulador “SEPIC”

O condensador C1, no entanto, deve suportar apenas a tensão de entrada. Não é inversor de polaridade. Neste conversor a corrente de saída é recortada.

inout VD1

DV

Funcionamento

Font

es C

omut

adas



L1L2 VOVin

Vi

L1 L2 VOVin

Vi

L1L2 VOVin

Vi

Dura: d·T

Dura: (1-d)·T Em Modo contínuo d’·T Em Modo descontinuo

Dura: (1-d-d’)·T(só em Modo descontínuo)

SEPIC Regulator

IL2

IL1

SEPIC : SubCircuitos

Regulador “SEPIC”

inout VD1

DV

Font

es C

omut

adas



VO

-

+

Vin

+ -vL1

VDS

+

-vL2

-

+

+

- vD+ -Vi

L1 L2

vDS max = vD max = Vin+VO= Vin/(1-d)

Tensões máximas:

Regulador “SEPIC”Tensões no SEPIC

Vin·d·T + (Vin - Vi - VO) ·(1-d)·T = 0

Vi·d·T - VO·(1-d)·T = 0

Aplicando o balanceamento de “volts/segundos” a ambas as bobines:

Vi = Vin

VO = Vin·d/(1-d)

Font

es C

omut

adas



VOVin

IO

R

iL2

iDiL1

iSL1 L2

C2

C1

iL2 = iD iL2 = IO iS = iL1 iS = IO·d/(1-d)

Regulador “SEPIC”Correntes no SEPIC

“Corrente média no condensador C2 = 0”:iD = IO = VO/R

Balanceamento de potências: iL1 = IO·d/(1-d)iL1 = IO·VO/Vim iL1 = IO·VO/Vin

“Corrente média no condensador C1 = 0”?

Font

es C

omut

adas



VOVin

L1L2

Vi = Vin

VO

Vi = Vin

L2

VOVin L2

Os efeitos de tensões máximas e correntes médias nos semicondutores, são iguais em ambos .

Regulador “SEPIC”Comparação “SEPIC “– “Buck-Boost”

Font

es C

omut

adas



(1-d-d’)·TVin

VO

iL1

iL2

Vin

L1 L2

d’·T

VinVO

iL1 Vin

L1 L2iL2

d·T

iL1

VinVO

Vin

L1L2

iL2

t

t

di/dt = Vin/L1

di/dt = VO/L1

di/dt = VO/L2

di/dt = Vin/L2

iL2

iL1

iL1 + iL2

Regulador “SEPIC”O“SEPIC “– Em Modo Descontinuo

Font

es C

omut

adas



di/dt = Vin/L1 + Vin/L2

t

di/dt = VO/L1 + VO/L2

Chamando:

1/Leq = 1/L1 + 1/L2

Fica:Vin/L1 + Vin/L2 = Vin/Leq

VO/L1 + VO/L2 = VO/Leq

Esta é a mesma situação que teríamos no regulador comutado redutor-elevador (Buck-Boost).

k = 2·Leq / (R·T)d

M = k

kcrit = (1-d)2 kcrit max = 1

Regulador “SEPIC”O“SEPIC “– Em Modo DescontinuoiL1 + iL2

A fórmula é a mesma, usando Leq como indutância:

Font

es C

omut

adas



vL1 = vL2 = Vg

vL1 = vL2 = -VO

vL1 = vL2 = 0

São iguais para ambos os modos de condução.

(1-d-d’)·T

VinVO

vL1+ -

vL2

-

+

Vg

L1 L2

d’·T

VinVO

vL1+ - Vg

L1 L2vL2

-

+

d·T

vL1+ -

VinVO

Vg

L1L2

vL2

-

+

Integração magnética

Regulador “SEPIC”Tensões nas Bobines

Font

es C

omut

adas



iL1 L1N1

L2

N2

t

iL1

t

iL2

M = L2 iL2

t

iL1

t

iL2iL1

L2 N2

L1N1

iL2

Integração magnética

Regulador “SEPIC”Anulação do ripple de Entrada

Font

es C

omut

adas



A transferência de energia se faz via condensador.

O conversor Zeta, cuja topologia também possui uma característica abaixadora-elevadora de tensão e não inversora polaridade. Na verdade, a diferença entre este conversor, o Cuk e o SEPIC é apenas a posição relativa dos componentes.

Zeta Regulator

Aqui a corrente de entrada é sempre descontínua (como no conversor abaixador-elevador de tensão visto anteriormente) e a de saída é continua.

A operação no modo descontínuo também se caracteriza pela inversão do sentido da corrente por uma das indutâncias. A posição do interruptor permite uma natural protecção contra curto-circuitos.

A tensão a ser suportada pelo transistor e pelo diodo e por C é igual a Vo+Vi.

Conversores Cuk, SEPIC e Zeta isolados com entrada CC. A introdução de isolamento nestes Reguladores é muito simples, transformando as bobines em paralelo, em transformadores, sendo depois usados como circuitos PFC Activos.

Regulador “ZETA”Funcionamento

inout VD1

DV

Font

es C

omut

adas



O conversor Flyback (modo Indirecto), pertence á primeira família dos conversores comutada, o que significa que há isolamento entre a entrada e a saída. Os conversores Flyback, são usados em grande parte dos equipamentos electrónicos de alimentação AC de potências até 300W. Ex: Televisores, Computadores, impressoras, Hi-Fi, etc...

Flyback converter

IN1

Icarga

A sua estrutura deriva de um regulador “Boost” (elevador), onde a bobine foi substituída por um transformador com características redutor-elevador.

Quando o comutador Q1 está “on”, o primário do transformador fica directamente ligado á voltagem de entrada, o que faz aumentar o fluxo magnético no transformador. A voltagem no secundário é negativa, logo D1 está no corte e a carga é somente alimentada pelo condensador de saída C1.

in1

2out V

D1D

NNV

Conversor “Flyback”Funcionamento

Font

es C

omut

adas



Flyback converter

IN1

Icarga

Lei de Faraday:

in1

2out V

D1D

NNV

Quando o comutador Q1 está “off”, o secundário do transformador, contra reage (Lei de Faraday) e transfere a energia acumulada para o condensador de saída C1 e para a carga, através de diodo D1 que ficou entretanto directamente polarizado. De notar também a contra reacção do primário ao corte de corrente, fazendo que Q1 suporte uma tensão inversa de 2Vin.

O circuito de control monitora Vout, e controla o “duty-cycle” de Q1. Se Vin aumenta, o circuito de control irá reduzir o ciclo de condução de acordo a manter constante a saída.

Do mesmo modo se a carga é reduzida e Vout aumenta, o circuito de control actuará da mesma forma. Assim, a um aumento de Vin ou uma redução da corrente de carga corresponde uma diminuição do “dutry-cycle”, ou vice-versa, para que Vout seja constante.Fo

ntes

Com

utad

as



Conversor “Flyback”Funcionamento: Fase “on” (CCM)

2

1

M

1

2

1

NN

LL

vv

dtdi

111Lv

dtdi

M21Lv

offD0IVV"on"QSe 2i11

Font

es C

omut

adas




1min1

11 ItLViii

on1

1min1max tLViII

Font

es C

omut

adas



t

v1

t

i1

t

i2

I1min

I1Max

ton

ton

ton


2

1

M

1

2

1

NN

LL

vv

min11

i11 It

LVii

0i2

Font

es C

omut

adas



Conversor “Flyback”Funcionamento: Fase “off” (CCM)

2

1

2

M

2

1

NN

LL

vv

dtdi

M12Lv

dtdi

222Lv

Vov0i0i"off"QSe 2211

tLVoI

NNt

LVoIii

21Max

2

1

2Max222

Font

es C

omut

adas



t

v1

t

i1

t

i2

I1min

I1Max

ton

ton

ton


tLVoI

NNi 1Max

2

12

2

0i1

toff TS

Vi

2

1

NNVo

I2Max

I2min

off2

1on t

NNVotVi

Font

es C

omut

adas



Conversor “Flyback”Funcionamento: Esforço dos Semicondutores

t

iQ1

I1min

I1Max

ton

t

VQ1

TS

2

1

NNVoVi

ton

toff

IQ1Max= I1Max

VQ1Max = 2

1

NNVoVi

t

VD1

I1Max

t

ID1 I2Max

I2min

VD1Max = 2

1

NNViVo

ID1Max= I2Maxton

Font

es C

omut

adas



Conversor “Flyback”Funcionamento: Factores de Conversão

CCM (Io Iolim) M =VoVi =

N2

N1

D1-D

DCM (Io Iolim) M =VoVi =

IN

IoD2

Iolim =IN DN2

N1 (1-D)IN =

2fsL1

Vi

Características com carga resistiva

CCM (Io Iolim) M =VoVi =

N2

N1

D1-D

DCM (Io Iolim) M =VoVi =

DK

K = 2fsL1

Ro

Klim = 2

N2

N1 (1-D)

Font

es C

omut

adas



Conversor “Flyback”Funcionamento: Taxas de utilização

Conseguem-se melhores características dinâmicas

O conversor flyback é usado normalmente em DCM porque:Se tira proveito de toda a gama de fluxo (ΔΦ BSAT = S) e, o núcleo é menor

CCM

Limite CCM-DCM

Quando a taxa de utilização é baixa o conversor trabalha a baixa potênciaFo

ntes

Com

utad

as



Conversor “Flyback”

Funcionamento DCM: Correntes Primário/Secundário

t

I1I1Max

t

I2

TS

toff

ton

tr

I1Max = on1

tLVi

I2Max = 1Max2

1 INN

tr = Vo

ILNN 1Max

11

2

Font

es C

omut

adas



Flyback converter

IN1

I1 I2N2N1 IL

1

221L N

NIII

IL t

I2 t

I1 t

V1 t

VDS t

VContt

I2I2

I1

Vin

-Vout N1N2

Vin+Vout N1N2

t1

T

VCont

1I 2I

DSV

Vantagens Simplicidade e poucos componentes. Só mente um elemento indutivo (bobine). Baixas perdas devidas as correntes de fugas. Várias saídas com regulação simultânea.A corrente do comutador pode ser reduzida através da

relação de transformação.Bom factor de elevação de tensão.Grande variedade de tensões de Entrada (universal).

Conversor “Flyback”Funcionamento (Cont.)

LIIcarga

Font

es C

omut

adas



DesvantagensGrande capacidade do condensador de saída para

reduzir o ripple.O isolamento entre primário e secundário tem que

ser de qualidade. Transformador de grandes dimensões e com “air

gap” (perdas).Todos os componentes, além do transformador têm

que ser de qualidadeDimensões do transformador, limitam algumas

aplicações.Irradiação electromagnética média.Carga elevada no diodo e no condensador de saída.

Conversor “Flyback”Funcionamento (Cont.)

Font

es C

omut

adas



Exemplo:

Conversor “Flyback”Circuito

Font

es C

omut

adas



O conversor Forward (modo directo), pertence á primeira família dos conversores comutada, o que significa que há isolamento entre a entrada e a saída. Os conversores Forward, são usados para fornecer potências a equipamentos eléctricos até 1 KW. (Também é conhecido por “Single Ended Forward Converter”).

O conversor Forward, que quer dizer “directo”, transfere energia quando o Comutador está “on”. Durante este tempo, a voltagem no primário é igual á voltagem de entrada.

Que através de D1 alimenta L1, carrega o condensador, e alimenta a carga.O enrolamento do secundário não é inversor, pelo que a voltagem em N2 será:

Quando o Comutador está “off”, o fluxo no transformador tem que ser reduzido a zero (Desmagnetização) (para evitar a saturação do núcleo que elevaria exageradamente a corrente de Q1 danificando-o). O núcleo é desmagnetizado através do enrolamento N3, que tem o mesmo número de espiras de N1, e de D3 que fica directamente polarizado e vai precisar do mesmo tempo para desmagnetizar, que N1 esteve a magnetizar. Por este motivo o “duty-cycle” ton /T terá que ser 0,5. Durante este tempo N1 e N2 não têm corrente e a contra reacção de L1 será descarregada por D2 , que é um diodo de circulação livre (flywheel diode).

Forward converter

Vo=N2

N1* DVin *

IN1

VQ1

IL1

ton 0,5T.

1

2inN N

NVV 2

Conversor “Forward” simplesFuncionamento

Font

es C

omut

adas



Forward converter IN1

VQ1

IL1

Quando o comutador está “off”, N3 vai induzir em N1 uma tensão de valor –Vin, pelo que o comutador Q1 vai suportar uma tensão inversa superior a 2Vin.

Em comparação com o conversor Flyback, o Forward só pode ter uma saída regulada e o máximo ton de 0,5.

O uso de transformadores toroidais de monocristalino “VITROPERM” é recomendado, visto ter maior permeabilidade magnética e menos perdas que as ferrites, tendo vantagens de menor peso, menor volume, maior eficiência e maior coeficiente de temperatura (até 120º).

Vo=N2

N1* DVin*

Conversor “Forward” simplesFuncionamento (Cont.)

Font

es C

omut

adas



I1

ID2 ID3 I3I3

I1’ t

I1 t

V3 t

t1

V1 t

VContt

T

Iout=I3

I1

I1 N2

N1

I3

I1’

I1 I2

I3

Vin

-VinN2

N1

Vin

I1-Corrente Magnetizante


Vantagens Maior nível de potência que o Conversor Flyback. Simplicidade e poucos componentes. Alta eficiência. Sem problemas de desmagnetização Corrente de saída de baixo ripple (Cout pequeno). A corrente do comutador pode ser reduzida através da relação de transformação.

VQ1

Forward converter

t

Desmagnetização

Font

es C

omut

adas



DesvantagensNecessidade de enrolamento desmagnetizante.Necessidade de bom acoplamento magnético

entre primário e enrolamento desmagnetizante Dimensões elevadas da bobine.Só uma saída.Ciclo activo 0,5 T.

DMAX : 0.5

Tensão inversa dos comutadores 2Vin


Font

es C

omut

adas



É uma variante do Conversor Forward, em que os comutadores T1 e T2 são comutados ao mesmo tempo. Durante o tempo em que os comutadores estão “on”, a tensão Vin é aplicada ao primário, e tudo se passa de igual modo que no Forward simples.

Quando os Comutadores estão “off”,o transformador desmagnetiza através dos diodos D1 e D2 para Vin.

Vantagens O enrolamento desmagnetizante do transformador não é necessário Menor pico de tensão inversa nos transistores comutadores (Vin).Acoplamento magnético entre enrolamentos do transformador não

crítico.Maiores potências que o Forward simples (kW’s).Design simples, quer físico quer a nível eléctrico.

D

Two Transistors Forward Converter

Vo=N2

N1

* Vin*

DMAX : 0.5

Desvantagens Só uma saída. Ciclo activo 0,5 T.

Conversor “Forward” com 2 Comutadores

Font

es C

omut

adas



Push-Pull converter

DVo=N1

**N22Vin

O conversor Push-Pull pertence ao grupo de conversores do modo directo.

Quando Q1 está”on”, a corrente circula pela metade superior do primário do transformador, induzindo no secundário uma voltagem tal que D2 fica polarizado directamente e D1 inversamente. D2 conduz, e através de L1 alimenta o condensador de saída e a carga.

Quando Q1 está”off”, o fluxo no transformador termina, e passado um tempo morto (dependente do ciclo activo do sinal de control PWM)…

Q2 conduz, circulando a corrente na metade inferior do transformador, induzindo no secundário uma voltagem tal que D1 fica polarizado directamente e D2 inversamente. D1 conduz, e através de L1 alimenta o condensador de saída e a carga. Segue-se um tempo morto e Q1 conduz iniciando-se um novo ciclo.

Os comutadores não podem conduzir em simultâneo pois poriam a fonte (Vin) em curto. Isto significa que cada comutador não pode estar “on” mais do que 0,5 T, pois sobrepor-se-iam.

Os Conversores Push-pull são basicamente usados em conversores DC/DC de baixa tensão de entrada, e conversão DC/AC (se não tiver diodos nos secundário).

Conversor “Push-Pulll” Funcionamento

Font

es C

omut

adas



O circuito magnético no transformador deve ser uniforme, caso contrário saturaria e levaria á destruição de Q1 e Q2.

Os Conversores Push-pull são basicamente usados em conversores DC/DC de baixa tensão de entrada, e conversão DC/AC (se não tiver diodos nos secundário).

Push-Pull converter

DVo=N1

**N22Vin

DMAX : 0.5

VD_MAX = 2Vin / n

VQ_MAX = 2Vin

Conversor “Push-Pulll” Funcionamento (Cont.)

Isto implica que os tempos de condução dos comutadores Q1 e Q2 sejam exactamente iguais, e que ambas as metades do transformador sejam magneticamente idênticas.

Font

es C

omut

adas



Vin

N:12

Q1 Q2

Vin

n:1

1

Q1 Q2 D2

D1

Quando os Comutadores estão “off” IL deve continuar circulando. Os dois diodos conduzem e repartem a corrente por igual nas contra-reacções do secundário

Conversor “Push-Pulll” Funcionamento (Formas de Onda)

Quando Q1 está”on”, a corrente circula pela metade superior do primário do transformador, induzindo no secundário uma voltagem tal que D2 fica polarizado directamente e D1 inversamente. D2 conduz, e através de L1 alimenta o condensador de saída e a carga.

Q2 conduz, circulando a corrente na metade inferior do transformador, induzindo no secundário uma voltagem tal que D1 fica polarizado directamente e D2 inversamente.

Quando Q1 está”off”, o fluxo no transformador termina, e passado um tempo morto (dependente do ciclo activo do sinal de control PWM)…

D1 conduz, e através de L1 alimenta o condensador de saída e a carga. Segue-se um tempo morto e Q1 conduz iniciando-se um novo ciclo.

Vin

n:13

Q1 Q2

Font

es C

omut

adas



L

VO

iL

D1

D2

iL1

iL2

Circuito equivalente quando não conduzem:

iL1 + iL2 = iLiL1 - iL2 = iLm (sec. trans.)

VOL

A tensão no transformador é zero.

Conduzem ambos os diodos…

As correntes iL1 e iL2 devem ser tais que:

Conversor “Push-Pulll” Funcionamento Simétrico

O que se passa quando nenhum dos transistores conduz?

Font

es C

omut

adas



A tensão vD é a mesma que num conversor “Forward” com um ciclo de trabalho de:

S2

N1

N1’

N2’

N2

Vin

VO

LvD

+

-S1

+- vD1

+- vD2

vS1

+-

+- vS2

D1

D2

Td·T

tvS1

2·Vin

vS2

t2·Vin

t

vD Vin·N2/N1

t

vD2

2·Vin·n2/n1

tvD1 2·Vin·n2/n1

tControlS1 S2

dmax = 0,5

Conversor “Push-Pulll” Tensões

VO = 2·d·Vin·N2/N1 (em modo continuo)

vsmax = 2·Vin vD1max = vD2max = 2·Vin·N2/N1

2·d

Font

es C

omut

adas



S2 S1

N1 : N2

N1

N1’

N2’

N2

Vin

VO

L

iS1

iL

D1

D2

iD1

iD2

iS2

iO

Correntes médias:iS1 = iS2 = iO·d·(n2/n1) iD1 = iD2 = iO/2

t

iS2

iS1

t

t

iL

t

iD1

Td·T

t

iD2

tControlS1 S2

dmax = 0,5

Conversor “Push-Pulll” Correntes

Font

es C

omut

adas



B

H

S2 S1

N1

N1’Vin

VO

iS1

iS2

Em controlo “Modo tensão” pode chegar a saturar-se o transformador, por assimetrias na duração dos tempos de condução dos transistores

B

Se usa “controlo modo corrente”

Conversor “Push-Pulll” Problema de Magnetização do “Push-Pull”

Font

es C

omut

adas



Push-Pull converter

DVo= N1**

N22Vin

VantagensSimplicidade e poucos componentes.Aplicabilidade em vários níveis de

potência.Possibilidade de várias saídas.Transformador de pequenas

dimensões.Baixo ripple de saída.

DesvantagensTensão inversa nos Comutadores (2Vin).Correcção de simetrias problemática. Necessário bom acoplamento magnético entre ambos os enrolamentos do

primário.Perigo se ambos os comutadores em condução simultânea. DMAX : 0.5

VD_MAX = 2Vin / nVQ_MAX = 2Vin

A voltagem na saída é igual á média da forma de onda aplicada ao filtro de saída LC.

Conversor “Push-Pull”Características

Font

es C

omut

adas




Vo= N2

N1*Vin * D

O Conversor “half-bridge” (Meia ponte) é similar ao conversor Push-Pull, mas sem necessidade de transformador com ponto central no primário. O campo magnético inverso, consegue-se invertendo o sentido da corrente no primário. Este tipo de conversores é usado especialmente em aplicações de alta potência.

O Conversor “meia ponte” é a solução mais “amigável” para Fontes de Alimentação Comutadas de modo directo com isolamento, pois reduz a tensão de pico inversa dos comutadores primários, devido ao divisor de tensão de entrada entre C1 e C2.

As formas de onda são as mesmas do conversor Push-Pull, mas as tensões e relação de transformação são reduzidas a metade, sendo a sua principal vantagem a redução da tensão aplicada aos FET’s comutadores.

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)Funcionamento

Font

es C

omut

adas




Vo=N2

N1

*Vin * D


VantagensNão necessita de transformador de ponto

central.Transformador de menores dimensões.Menor tensão inversa aplicada aos

comutadores.Potência se alguns kw. Simplicidade.

VQ_MAX = Vin

VD_MAX = Vin / n

DMAX : 0.5

Desvantagens A relação de transformação será dupla para a mesma

tensão de saída.O dobro da corrente.Só uma saídaCorrecção de simetrias problemáticaPrecisa de fonte auxiliar para circuito de Control.

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)

Características

Font

es C

omut

adas



N:1

VLC

V0Q1

Q2

D1

D2

Vin2

Vin

2Vin

L0

Na entrada, se monta um divisor capacitivo, mediante dois condensadores iguais e suficientemente grandes. Desta forma criamos um ponto em que a tensão é a metade da tensão de entrada.

Os dois MOSFET são controlados da seguinte forma:Q1

Q2

TT/2

DT

DT

Sinais nas “Gates” dos MOSFETS

DMAX : 0.5

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)Funcionamento

Font

es C

omut

adas



Vin

N:1

LM

L0 V0n2Vin

VL0

Q2

Q1D1

D2

Q2DT

DT

Q1 TT/2

V1

ILM

IL0

VL00

in Vn2

V

-V0

M

in

L4TDV

Em MCC, estes conversores têm 3 estados de funcionamento.

1• Carga da LM

• Carga de L0

Durante D·T

LM2

Vin

ILM

dt2

VL1)t(i in

MLM

dtV

n2V

L1)t(i 0

in

00L

VL IL

Voutn2Vin

En t = DTM

inLM L2

TDVi

DTVn2

VL1i 0

in

00L

O valor de pico é metade

O valor médio depende da carga

L

00 R

VI

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)Circulação de correntes

2Vin

Font

es C

omut

adas



Q1 TT/2

DTDT

Q2

V1

ILM

IL0

VL0

2Vin

0in Vn2

V

-V0

M

in

L4TDV

2• LM se mantém• Descarga de

L0

iLM fecha-se pelo transformador. iLO põe em condução os dois diodos.O equilibrio das correntes no

transformador se devem manter.

A tensão no transformador deve ser nula.iL

Vout

iLMLM

vLM = 0iLM = 0

vL

vL = -V0 Se descarga L0


Font

es C

omut

adas

Vin

N:1Q1

Q2

D1

D2



Vin

N:1Q1

Q2

D1

D2

3• LM se descarrega• Carga de L0

Durante D·T

LM2

Vin

ILM

dt2

VL1i)t(i in

MLMpLM

M

inLMp L4

TDVi

O circuito de saída é igual ao do ponto 1.

É simétrico

Descarga de LM


Font

es C

omut

adas

Q2DT

DT

Q1 TT/2

V1

ILM

IL0

VL00

in Vn2

V

-V0

M

in

L4TDV

2Vin



A bobine L0 deve estar equilibrada:

D

21VDV

n2V

00in Por tanto: D

nVV in

0

Para calcular la relación de transformación estudiamos la forma de onda de la tensión en la bobina de salida

0in Vn2

V

-V0

T/2

VL0

T

2Vin

Com respeito a LM, a forma de controlar os comutadores assegura que a forma de onda seja simétrica.

2VinDT

DTiLM estará equilibrada

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)Relação de Transformação

Font

es C

omut

adas



0VVin

N:1V0

Q1

Q2

D1

D2

0V

LM

iLM

iL0

Quando os dois MOSFETs estão abertos, a corrente IL0 deve continuar circulando. Para isso, os dois diodos se põem em condução e repartem a corrente por igual.

IL0ID1+ID2

ID2 se desequilibra ligeiramente devido a ILM

ID1ID2

ILM

ID2

IL0

ID1ILM

Unicamente se desequilibram ligeiramente devido á corrente ILM que também está entrando no transformador, que deve sair pelos enrolamentos do secundário. Em geral esta corrente será muito menor que IL0 e apenas se notará um ligeiro desequilíbrio.

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)Relação de Transformação

Font

es C

omut

adas

ILM



Vin

V0

Q2

Q1TT/2

DT DT

V1

VQ1

IL0

IQ1

ID1

2Vin

2Vin Vin

IL0pIL0p/2

LMpp0L I

nI

ILM

nVinVD1

VD1

VQ1

V1

IQ1 IL0

Nos MOSFET

VM_MAX = Vin

Nos diodos

VD_MAX = Vin / n

2Vin

IL0p

Conversores – Meia Ponte (Half Bridge)

Esforços dos semicondutores

Font

es C

omut

adas

ID1




DVo= N1**

N22Vin

O Conversor “Full-bridge” (Ponte Completa), tal como o “Half-bridge”, é similar ao conversor Push-Pull, mas sem necessidade de transformador com ponto central no primário. O campo magnético inverso, consegue-se invertendo o sentido da corrente no primário. Este tipo de conversores é usado especialmente em aplicações de alta potência (até 10 kw).

Pares diagonais de Comutadores (FET’s) em condução alternada, conseguindo o efeito de inversão da corrente no primário do transformador, eliminam a necessidade de transformador com ponto central no primário.

Q1 e Q4 em condução produzirão uma corrente num sentido no primário do transformador, Q2 e Q3 farão o mesmo mas no sentido inverso, o comportamento dos diodos no secundário é idêntico ao do “Push-pull”, D1 estará polarizado directamente para um ciclo e D2 para o outro ciclo. Mais uma vez se nota que os dois pares não podem estar em condução simultaneamente pelo que o ciclo activo terá que ser D 0,5.T. A tensão inversa suportada pelos FET’s será Vin.

Conversores – Ponte Completa (Full Bridge)Funcionamento

Font

es C

omut

adas




DVo=N1

**N22Vin


VantagensÉ o circuito mais usado em aplicações

de alta potência.Potência até 10 KW.Possibilidade de várias saídas.

DesvantagensTransformador e bobine de concepção complexa.Correcção de simetrias problemática.Só uma saída Fraca resposta a TransientesPrecisa de fonte auxiliar para circuito de Control.

VQ_MAX = Vin

VD_MAX = Vin / n

DMAX : 0.5

Conversores – Ponte Completa (Full Bridge)

Características

Transformador de pequenas dimensões sem “air gap”.

Baixo ripple de saída.Tensão inverso dos comutadores baixa.

Font

es C

omut

adas



ZCS Push-Pull Resonant Converter

Vo= N2

N1*Vin * D

ZCS (Zero Current Switch) Os “Conversores Ressonantes”, usam um

circuito ressonante para comutarem os transistores (FET’s), nos pontos de corrente ou tensão zero, reduzindo assim o “stress” dos elementos comutadores e a EMI.

ZVS (Zero Voltage Switching) Para comutação a zero volts.

ZCS (Zero Current Switching) Para comutação a corrente zero.Para control da voltagem de saída, os conversores ressonantes, são impulsionados com impulsos de duração constante a frequência variável, sendo a sua duração de metade do período ressonante, para que a comutação se dê nos pontos de zero voltagem ou corrente.

Há muitos tipos diferentes de conversores ressonantes, e o circuito sintónico, pode estar no primário ou no secundário do transformador, ou alternativamente circuitos ressonantes série ou paralelo, conforme ZVS ou ZCS..

O “ZCS Push-Pull Resonant Converter”, pode regular várias saídas, usando um circuito de control idêntico ao do “Flyback”. Isto porque as várias saídas são vistas como ligações em paralelo pelo primário do transformador, pelo que será compensada a saída de tensão mais baixa, tendo em conta a relação de transformação.

Conversores RessonantesFuncionamento

Font

es C

omut

adas



VantagensVárias saídas isoladas a potências de

Vários Kw.Voltagem inversa dos comutadores Vin.Transformador de pequeno núcleo sem “air

gap”.Transformador sem acoplamento magnético

crítico. Impulsos de control de duração fixa e freq.

Variável.Protecção de sem carga, ou curto circuito.

Desvantagens A frequência pode ser audível.A voltagem de saída no pode ser superior a 2Vin. (Porque Vout = Vin)A corrente de saída no pode ser superior a 2Iin. (Porque Vout = 0 e I = Vin .C/L)

ZCS Push-Pull Resonant Converter

Vo =N2

N1*2.Vin

ZCS (Zero Current Switch)

VQ_MAX = Vin

Vo_MAX = 2Vin

DMAX : 0.5

Io_MAX = Iin

Conversores RessonantesCaracterísticas

Font

es C

omut

adas



Conversores quasirressonantes comutados a corrente zero (ZCS-QRC)Convencional

Ressonante

iS

iDiL

+

-

vS

Potência perdida no transistor

CorrentesiS

iD

iL

vS

Conversores Ressonantes

Font

es C

omut

adas



Dúvidas?

Font

es C

omut

adas



Bibliografias

www.unioviedo.es/ate/majopri/intro/docs/leccion

http://www.electronics-tutorials.ws/

ATE Univ. de Oviedo SISAL035.00

Área de Tecnología Electrónica de la Universidad de Oviedo

http://www.el.bqto.unexpo.edu.ve/rabreu/Electronica3

Font

es C

omut

adas

Documents

Fontes de alimentação comutadas