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Neste trabalho será implementado e avaliado a geração de Modulação por Largura de Pulso (PWM) para um conversor Buck.
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ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
GERAÇÃO DE PWM DE FORMA DISCRETA
Discentes:
Guilherme Bruni Vincenzi
Willian Ricardo Bispo Murbak Nunes
Docentes:
André Luis Batista Ferreira
Carlos Henrique Gonçalves Treviso
Londrina
2011
2
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA
CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
GERAÇÃO DE PWM DE FORMA DISCRETA
Trabalho apresentado à disciplina de
Eletrônica de Potência, do curso de
Engenharia Elétrica, ministrado pelos
professores André Luiz Batista Ferreira e
Carlos Henrique Gonçalves Treviso, da
Universidade Estadual de Londrina.
Londrina
2011
3
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS _________________________________ 4
2. REVISÃO DE LITERATURA ___________________________________ 5
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL _____________________________ 9
3.1. Materiais Utilizados _____________________________________ 9
3.2. Procedimentos ________________________________________ 10
4. RESULTADOS ____________________________________________ 12
4.1. Implementação do gerador PWM _________________________ 12
4.2. Questões _____________________________________________ 14
5. CONCLUSÃO _____________________________________________ 16
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ______________________________ 18
7. ANEXOS _________________________________________________ 19
A. Amplificador Operacional CA3140 ________________________ 19
B. Transistor BC549 ______________________________________ 20
C. Transistor BC557 ______________________________________ 21
D. Regulador TL431 ______________________________________ 22
E. CD4027 ______________________________________________ 23
F. CD4081 ______________________________________________ 24
4
1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS
Com o acelerado avanço da tecnologia e o crescente desenvolvimento
de equipamentos eletrônicos, principalmente nas áreas de telecomunicações e
sistemas de computadores, surge a necessidade de desenvolver fontes de
alimentação de alto desempenho, elevada eficiência e reduzido volume. Tais
fontes são implementadas fazendo-se uso de conversores estáticos de energia,
nos quais chaves eletrônicas, por exemplo, MOSFET (Metal-Oxide-
Semiconductor Field-Effect Transistor) e IGBT (Insulated Gate Bipolar
Transistor) controlam o fluxo de energia entre a fonte e a carga. Para que isso
seja possível, são criados os conversores de tensão, dentre os quais se
destaca o conversor Buck.
Nesta experiência de laboratório será implementada e avaliada a
geração de Modulação por Largura de Pulso (PWM) para um conversor Buck.
5
2. REVISÃO DE LITERATURA
De acordo com CORTIZO (2002), as fontes chaveadas derivam de
estruturas básicas de conversores CC-CC. A estrutura mais conhecida é o
conversor abaixador de tensão apresentado na figura 1 e denominada na
literatura conversor "Buck".
Figura 1 – Circuito básico do conversor buck.
Figura 2 - Formas de onda de corrente no indutor e tensão de entrada do filtro LC
O transistor Q1 é usado como uma chave que tem seus tempos de
condução (tON) e corte (tOFF) comandados pelo circuito modulador de largura de
pulsos. Quando Q1 está conduzindo, energia é transferida da fonte VIN para a
carga através do indutor L1. Nesta condição D1 está polarizado reversamente
e o capacitor CO é carregado. Quando Q1 é desligado, o indutor força a
condução do diodo D1 e a corrente de carga passa por L1 e D1.
6
A figura 2 mostra as formas de onda de tensão VA e corrente IL no
indutor L1. A tensão VA é filtrada pelo filtro de segunda ordem constituído por
L1, C0 e RL, garantindo uma tensão contínua, com baixo ripple na saída.
Resumindo, os conversores do tipo Buck são os mais utilizados
atualmente, em função das boas características obtidas com a tensão de saída
e com o baixo ripple na mesma. Seu funcionamento baseia-se no
armazenamento de energia no indutor sob a forma de corrente e com tensão
de saída dependendo da amplitude e da largura dos pulsos. Além disso,
destaca-se também como característica do conversor Buck a boa regulação
quanto a variações de corrente, já que o ganho estático não depende da
corrente de saída.
in
out
V
VG = (1)
Vale ressaltar que para o conversor Buck funcione é necessário um
circuito que proporcione pulsos de tensão a serem aplicados na chave.
Além do mais é fundamental que haja uma forma de controlar a largura
de tais pulsos. Uma proposta adequada de fazer tal controle pulsos é utilizando
uma técnica denominada modulação por largura de pulsos (PWM).
Segundo AHMED (2000), um circuito PWM faz a modulação de um sinal
por largura de pulso e pode ser compreendido pensando em uma carga, a qual
está ligada a uma fonte com um interruptor que se abre e fecha
periodicamente. O interruptor fechado define a largura do pulso pelo tempo que
ele fica nesta condição. Transferindo assim a tensão do circuito à carga. O
intervalo entre os pulsos é definido também pelo tempo em que o interruptor
fica aberto. Neste instante, a tensão sobre a carga se torna nula.
Uma proposta a ser utilizada para o conversor Buck é apresentada na
figura a seguir, a qual consiste de um gerador de Modulação por Largura de
Pulso (PWM) implementado de forma discreta.
7
Figura 3 – Esquema elétrico para geração do PWM com o conversor Buck.
Ora, a modulação em fontes de alimentação envolve a modulação de
sua razão cíclica (duty cicle) para transportar informação ou um valor de tensão
que será entregue à carga.
No circuito proposto é utilizado um circuito de fonte de corrente, através
do qual é gerada uma forma de onda dente de serra, uma vez que a tensão de
carregamento do capacitor é linear. Por conseguinte, este sinal vai para a
entrada não-inversora do comparador CA3140. Na entrada inversora do
CA3140, é colocada uma tensão de referência, determinada a partir da tensão
de emissor do BC549, o qual está polarizado pelo regulador de tensão
ajustável TL431.
Seguindo com o funcionamento do circuito, a tensão de saída do
CA3140 faz uma realimentação positiva e prossegue para a entrada inversora
de outro circuito comparador, sendo comparada com a tensão de erro. Esta
comparação determina o estado do flip flop JK, ou seja, tempo em que o sinal
fica em alto ou em baixo. Após isso, a tensão de saída vai para a entrada de
um flip flop JK e as suas saídas são comparadas com o sinal de clock em
duas portas AND, sendo posteriormente chaveadas pelos transistores BC549.
8
As saídas D1 e D2 são ligadas à entrada do drive do conversor Buck,
controlando assim o tempo em que o sinal fica em alto e em baixo, ou seja,
modulando a largura do pulso.
Feita a exposição sobre a teoria, são mostrados a seguir os
procedimentos experimentais relativos ao estudo da geração de Modulação por
Largura de Pulso para o conversor Buck.
9
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Utilizando-se como referência a proposta de FERREIRA (2011)
implementou-se o aparato experimental com as seguintes especificações.
3.1. Materiais Utilizados
Para a realização do experimento fez-se necessário utilizar os seguintes
equipamentos.
- 1 protótipo de um Conversor Buck;
- 1 resistor de 820Ω, 1/4W;
- 9 resistores de 1kΩ, 1/4W;
- 3 resistores de 2k2Ω, 1/4W;
- 1 resistor de 3k3Ω, 1/4W;
- 4 resistores de 10kΩ, 1/4W;
- 1 potenciômetro de 1kΩ;
- 1 capacitor de poliéster de 2,7nF;
- 1 capacitor e de 10nF;
- 1 capacitor de 270pF;
- 1 diodo de sinal 1n4148;
- 4 transistores BC 549;
- 1 transistor BC557;
- 3 amplificadores operacionais CA3140;
- 1 regulador TL431;
- 1 diodo zener 5V1;
- 1 CI 4027 flip flop JK;
- 1 CI 4081 com quatro portas AND de duas entradas;
- 1 fonte de alimentação de tensão DC;
- 1 varistor.
- 1 protoboard;
- 2 multímetros;
- 1 osciloscópio;
10
3.2. Procedimentos
O experimento baseou-se na utilização do conversor Buck descrito na
figura abaixo, tendo como um aspecto relevante a inserção do sinal de controle
provindo de um circuito gerador de PWM de forma discreta.
Figura 4– Esquema de montagem e as ligações para a alimentação do protótipo Buck.
Sendo assim, iniciou-se a montagem do circuito gerador de PWM,
conforme ressaltado na figura 5. Com o intuito de sanar possíveis falhas
provindas de erros de montagem ou de componentes defeituosos, decidiu-se
implementar o circuito por etapas, isto é, dividindo o circuito por blocos. Para
cada etapa proposta verificou-se o correspondente funcionamento do mesmo
e, em seguida, avançava-se para uma nova etapa.
Figura 5 – Circuito para controle da razão cíclica do protótipo Buck.
11
A primeira etapa de montagem consistiu do circuito que concede um
nível de tensão de referencia Vref. Após a avaliação do nível de tensão obtido
para Vref, partiu-se para um segundo bloco de montagem. Trata-se do circuito
que agrega a fonte de corrente com o comparador, rede de atraso até o diodo
1N4148 com a realimentação positiva do sinal.
Com isto, averiguou-se a forma de onda de onda obtida para a fonte de
corrente de modo então a prosseguir na montagem final do restante do circuito
gerador de PWM.
Feito a montagem completa do circuito, retirou-se a fonte de alimentação
de tensão do circuito e alimentou-o a partir dos terminais do protótipo Buck,
com o protótipo sendo alimentado a partir da fonte de alimentação DC ajustada
em 20V. Em seguida, inseriram-se no pino de controle do protótipo os sinais
provenientes do circuito gerador de PWM.
A aplicação destes sinais fora feita em dois casos. O primeiro caso
consistiu na consideração do sinal de controle sendo proveniente somente do
terminal D1 do circuito gerador de PWM. Enquanto que para o segundo caso
conectou-se o terminal D1 ao terminal D2 e a junção de tais fora aplicada no
terminal de controle do protótipo Buck.
Para os casos salientados avaliou-se o sinal de controle obtido, no que
concerne a freqüência, razão cíclica e tensão de offset, como também a tensão
de saída do protótipo Buck.
Finalmente, implementou-se um circuito de partida suave, também
denominado de soft starter, com o intuito de que a razão cíclica progredisse
lentamente, evitando assim a destruição da chave do protótipo, overshoot de
saída entre outros aspectos.
Vale ressaltar que para este trabalho não se utilizou um tensão de erro
proveniente de uma possível realimentação do nível de tensão da saída do
conversor para o circuito de controle.
A partir de tal aparato experimental pôde-se então explanar e discutir
questionamentos preponderantes da experiência em laboratório.
Feita a exposição sobre os procedimentos práticos, são apresentados a
seguir os resultados relativos à análise do circuito gerador de PWM de forma
discreta.
12
4. RESULTADOS
4.1. Implementação do gerador PWM
Após a montagem do primeiro bloco do circuito proposto, obteve-se
como resultado proveniente da leitura do multímetro, uma tensão de referência
Vref de 5,44V. Um valor satisfatório para o funcionamento do circuito.
Com isto ao finalizar-se o segundo bloco de montagem, já descrita
anteriormente, obteve-se a forma de onda do tipo dente de serra conforme
salientado na figura seguinte. Notou-se a presença de um nível de offset, o
qual na figura abaixo esteve em aproximadamente 0,8 V, porém em outros
momentos esteve em níveis de tensão maiores do que isto.
Figura 6 - Forma de onda dente de serra.
Por conseguinte, finalizado a implementação de todo o circuito avaliou-
se as formas de onda dos terminais D1 e D2 do circuito gerador de PWM, os
resultados gráficos obtidos encontram-se salientados na figura a seguir.
13
Figura 7 - D1 e D2.
Da figura anterior vale salientar o fato de que D1 e D2 encontram-se
defasados mesmo para a razão cíclica ajustada no máximo.
14
4.2. Questões
4.2.1. Circuito Soft-Start:
Para se implementar um circuito de partida suave (soft-start) o circuito
abaixo é uma possibilidade com resultado satisfatório, conforme obteve-se em
montagem prática.
R1
100k
C1
47u
Verro
D1N4148
V1
12Vdc
0
0
Q2
BC557A
0
Figura 8 – Circuito de implementação do Soft-Start.
A função deste circuito é a de manter uma variação suave na razão
cíclica, até que ela atinja um determinado valor. Esta variação se dá no
intervalo de tempo em que o capacitor C1 está carregando, com a constante de
tempo de carga dada pelo circuito RC da figura acima. Os componentes RC do
circuito são calculados de modo a produzir uma constante de tempo que
possibilite uma variação lenta e, portanto, suave na tensão de saída Verro.
4.2.2. Razões cíclicas e tensão de saída.
Do circuito implementado para a geração de PWM avaliou-se a máxima
razão cíclica e a tensão de saída do conversor Buck nos dois casos propostos
de sinais de controle.
No primeiro caso em que o sinal de controle consistia apenas do sinal
proveniente de D1 a razão cíclica máxima obtida por meio da variação do
potenciômetro foi de 0,36 e uma tensão de saída do conversor Buck igual a
6,86V, para um freqüência do sinal de controle igual a 86,2kHz.
No entanto este resultado obtido deve ser avaliado com certa cautela,
pois o nível de tensão de offset da forma de onda dente de serra foi de 1,6V
nesta circunstância de medição.
Por conseguinte para o segundo caso, em que consistiu na interligação
dos terminais D1 e D2 para o sinal de controle do conversor Buck obteve-se a
15
razão cíclica máxima de 0,64 e uma tensão de saída do conversor Buck igual a
13,15V, e freqüência do sinal de controle igual a 178,57kHz.
Novamente, este resultado obtido deve ser averiguado com certa
precaução, pois o nível de tensão de offset da forma de onda dente de serra foi
de 1,6V nesta circunstância de medição.
4.2.3. Freqüência do circuito PWM.
Do circuito implementado para a geração de PWM tem-se o mesmo
possibilita variar a freqüência dos sinais D1 e D2, por meio da modificação dos
valores do circuito RC da fonte de corrente, os quais controlam o período da
forma de onda dente de serra acarretando a alteração da freqüência dos sinais
de saída.
16
5. CONCLUSÃO
Fica notório que esta prática de laboratório proporcionou o aprendizado
de uma gama de conceitos essenciais e importantes para o entendimento da
implementação do circuito de PWM para o controle de funcionamento de
conversor CC-CC denominado Buck.
Alguns pontos notáveis desta experiência de laboratório devem ser
enfatizados. Primeiramente vale ressaltar a utilização do princípio de
montagem por etapas. O circuito proposto para a geração de PWM é de certa
forma grande, o que limita o seu funcionamento em placa de protótipo, caso
venha ser montado em sua integra de uma só vez. Com a aplicação do
princípio da divisão do circuito em blocos com avaliação de funcionamento de
cada um destes obteve-se o pleno funcionamento do circuito proposto.
Com tal topologia de circuito é possível variar a razão cíclica dos pulsos
de saída em função do nível de tensão de erro. A qual neste trabalho esteve
limitada somente a um ajuste por potenciômetro, porém em situações práticas
utilizar-se-ia uma tensão de erro proveniente de um circuito contendo uma
realimentação da saída do conversor comparada com o nível de tensão
desejado para o mesmo.
Do circuito implementado para a geração de PWM validou-se o seu
funcionamento aplicando-o diretamente a um conversor Buck.
Para tanto aplicou-se o sinal de controle em dois casos. O primeiro caso
tomou-se o sinal de controle sendo somente o terminal D1 do circuito de PWM
enquanto que para o segundo caso o sinal de controle fora a junção dos sinais
dos terminais de D1 e D2 do circuito PWM.
Dos casos avaliados obteve-se um nível de tensão de saída do Buck
menor para o primeiro caso uma vez que a razão cíclica deste é menor que a
do segundo caso, onde claramente obteve-se o maior nível de tensão de saída
do Buck.
Um fato ocorrido e notado fora a variação do nível de tensão de offset da
forma de onda dente de serra ao decorrer do experimento. Com isto acredita-
se que os resultados obtidos na avaliação do conversor Buck possam estar
17
com certo desvio em relação aos resultados obtido em trabalhos de outros
autores.
A priori, há indícios de que tal acontecimento ocorreu em virtude de
problemas de flutuação do barramento de referência do circuito implementado,
notando-se também uma má conexão dos terminais de alimentação do
conversor Buck, os quais devem ser reparados por uma melhor fixação.
Finalmente, averiguou-se o funcionamento da proposta de um circuito de
partida suave, também denominado de soft starter, com o intuito de que a
razão cíclica progredisse lentamente, evitando assim a destruição da chave do
protótipo, overshoot de saída entre outros aspectos.
Ora, sendo assim percebe-se que a experiência em laboratório
novamente propiciou uma vasta experiência prática na avaliação e
determinação de diversas características peculiares do circuito gerador de
PWM aplicado ao conversor Buck
18
6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
AHMED, A. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, p. 168 – 173. São Paulo –
2000.
CORTIZO, Porfírio Cabaleiro. Comando de transistor. Aula Prática 02 da
disciplina Eletrônica de Potência. Escola de Engenharia - Curso de Engenharia
Elétrica. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2002.
FERREIRA, A. L. B.; Experiência 05: Implementação do esquema elétrico para
gerar o PWM de forma discreta. Roteiro de Laboratório da disciplina Eletrônica
de Potência. Universidade Estadual de Londrina. Departamento de Engenharia
Elétrica. Londrina, 2011.
Datasheet do CA3140. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/intersil/fn957.pdf
Datasheet do CI 4081. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/105/109272_DS.pdf
Datasheet do CI 4027. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/134/206735_DS.pdf
Datasheet do transistor BC557. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC557.pdf
Datasheet do transistor BC549. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC549.pdf
Datasheet do regulador de tensão de referencia TL431. Disponível no dia
29/05/11 no seguinte link:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/90/321931_DS.pdf
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7. ANEXOS
Seguem abaixo algumas especificações técnicas de componentes que
podem auxiliar em uma melhor compreensão das idéias expostas neste
trabalho.
A. Amplificador Operacional CA3140
Figura 9 – Folha de dados do CI CA3140.