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UNIVESIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁDEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICADISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Pedro Olesko S24Rodrigo Brito S24
Rodrigo Espinoza S24
CONVERSOR CC-CC ABAIXADOR (BUCK)
Relatório apresentado na disciplina de Eletrônica de Potência do curso de Engenharia Industrial Elétrica,
Eletrotécnica.Professor: Eduardo Romaneli
Curitiba/PRSetembro / 2008
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1- Modelagem de um retificador monofásico de onda completa com ligação em ponte................................................................................... ...............4Figura 2 - Formas de ondas considerando diodos ideais.....................................5
Figura 3 – Circuito do retificador em ponte com o acréscimo do capacitor C.......5
Figura 4 – Demonstração da redução da ondulação............................................6Figura 5 – Circuito do modulador PWM................................................................7
Figura 6 – Esquema de um circuito de conversor CC-CC abaixador com filtro
LC.........................................................................................................................8
Figura 7 – (a) Primeira etapa de funcionamento e (b) Segunda etapa de
funcionamento......................................................................................................9
Figura 8 – (a) Tensão sobre o diodo, (b) corrente sobre o indutor, (c) Corrente
sobre a fonte E e (d) Corrente sobre o diodo......................................................11
Figura 9: Forma de onda representando a freqüência de comutação.................14
Figura 10: Formato da Tensão de saída..............................................................15
Figura 11:Tempo ligado detalhado…………………………………………………..15
Figura 12: Medição do periodo da onda modulada.............................................16
Figura. 13: Formato da tensão no shunt em série com o indutor........................16
Figura 14: Tensão de saída com variação da carga............................................17
Figura 15:Variação da tensão de saída...............................................................17
Figura 16 – Imagem do circuito retificador utilizado nos ensaios em aula..........18
2
SUMÁRIO1. Introdução Teórica...........................................................................................4
1.1 Retificadores Monofásicos de onda completa com filtro capacitivo................4
1.2 Modulador PWM (Pulse-Width Modulation)…………………………………….6
1.3 Conversor CC-CC abaixador (BUCK).............................................................7
1.4 Objetivos.......................................................................................................11
2. Relação de Materiais.....................................................................................12
2.1 Retificador monofásico de onda completa com filtro capacitivo....................12
2.2 Modulador PWM............................................................................................12
2.3 Conversor CC-CC BUCK...............................................................................13
3. Desenvolvimento..........................................................................................13
3.1 Teórico...........................................................................................................13
3.2 Prático............................................................................................................14
3.3 Confecção do circuito....................................................................................18
4. Conclusão.......................................................................................................19
5. Referências Bibliográficas............................................................................20
3
1. Introdução Teórica
1.1 Retificadores Monofásicos de onda completa com filtro
capacitivo.
Existem os retificadores monofásicos para uso em aparelhos eletrônicos
de um modo geral e os retificadores polifásicos para uso em circuitos industriais
de alta potência.(AHMED,2000)
A tensão fornecida pela concessionária de energia elétrica é alternada ao
passo que os dispositivos eletrônicos operam com tensão contínua. Então é
necessário retificá-la e isto é feito através dos circuitos retificadores que
convertem corrente alternada em corrente contínua.
O funcionamento deste retificador pode ser descrito na figura 1:
Figura 1- Modelagem de um retificador monofásico de onda completa com
ligação em ponte.
Quando a tensão Vab se encontra no semi-ciclo positivo, a corrente sai
de A passa por D1, R, D3 e chega ao ponto B. Caso estiver no semi-ciclo
negativo, a corrente sai de B passa por D2, R, D4 e chega ao ponto A. Assim
conduzem somente dois diodos de cada vez.
Desta maneira, para qualquer polaridade de Vab, a corrente IL circula
num único sentido em R e por isto, a corrente em R é contínua. Temos somente
os semi-ciclos positivos na saída.
Uma observação importante é que freqüência de ondulação na saída é o
dobro da freqüência de entrada.
Considerando diodos ideais, os formatos de ondas no circuito são
exemplificados na figura 2.
4
Figura 2 - Formas de ondas considerando diodos ideais.
A ondulação na saída do circuito retificador é muito grande o que torna a
tensão de saída inadequada para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos. É
necessário fazer uma filtragem na tensão de saída do retificador com a
introdução de um capacitor como mostra a figura 3. A filtragem nivela a forma de
onda na saída do retificador tornando-a próxima de uma tensão contínua pura.
Figura 3 – Circuito do retificador em ponte com o acréscimo do capacitor
C.
A maneira mais simples de efetuar a filtragem é ligar um capacitor de alta
capacitância em paralelo com a carga RL e normalmente, utiliza-se um capacitor
eletrolítico.
A função do capacitor é reduzir a ondulação na saída do retificador e
quanto maior for o valor deste capacitor menor será a ondulação na saída da
fonte, esta redução é representada na figura 4.
5
Figura 4 – Demonstração da redução da ondulação
1.2 Modulador PWM (Pulse-Width Modulation)
Segundo AHMED (2000), o PWM modula por largura de pulso de um
sinal e pode ser melhor compreendido pensando em uma carga ligada a uma
fonte com um interruptor que se abre e fecha periodicamente. O interruptor
fechado define a largura de pulso pelo tempo que ele fica nesta condição,
transferindo assim toda a tensão da fonte a carga. O intervalo entre os pulsos
são definidas também pelo tempo em que fica aberto, neste momento a tensão
sobre a carga se torna nula.
A modulação em fontes de alimentação envolve a modulação de sua
razão cíclica (duty cycle) para transportar informação ou um valor de tensão que
será entregue a carga.
A figura 5 mostra o esquema para a montagem do modulador PWM. Nos
pinos 15 e 13 ocorre a alimentação do CI, o trimpot regulador do tempo de
condução está conectado ao pino 16, 2 e finalmente ligado a referencia
juntamente com outros pinos. Nos pinos 11 e 14 ocorre a saída dos sinais, o
restante do circuito é necessário para sua junção.
6
Figura 5 – Circuito do modulador PWM
1.3. Conversor CC-CC abaixador (BUCK)
Segundo BARBI (2002), os conversores CC-CC controlam o fluxo de
energia entre dois sistemas de corrente contínua. Estes conversores são
empregados, principalmente, em fontes de alimentação e para o controle de
velocidade de motores de corrente contínua.
Tal circuito, conversor BUCK, pode ser representado pela figura 6. A fonte
de tensão contínua é representada por Ve, S representa a chave MOSFET, o
indutor é representado por L, D um diodo de roda-livre que será considerado
Ideal (sem queda de tensão quando estiver positivamente polarizado) enquanto
a análise gráfica do conversor, um capacitor C e a carga representado por um
resistor R com tensão Vs.
7
Figura 6 – Esquema de um circuito de conversor CC-CC abaixador com filtro LC.
O circuito do conversor tem duas etapas de funcionamento, que são
representadas na figura 7. Em um primeiro momento a chave S está fechada e o
diodo D está inversamente polarizado e pode ser desconsiderado, C está sendo
carregado. Na segunda etapa, a chave S está aberta, excluindo assim a fonte E
do circuito, já o diodo de roda-livre D entra em funcionamento fazendo com que
a corrente iL (corrente que passa no indutor) exclusiva da energia acumulada no
indutor, passe a fluir pela carga e os demais componentes.
8
Figura 7 – (a) Primeira etapa de funcionamento e (b) Segunda etapa de
funcionamento.
Para entender o funcionamento do conversor, será feita a analise de seu
circuito em cada uma das etapas de funcionamento. A razão cíclica será
chamada de D e o período de T.
Sejam as seguintes definições:
= tensão sobre o indutor L
= Tensão sobre a chave S
= Tensão de entrada
= Tensão de saída sobre a carga R
A partir do princípio, a tensão média no indutor deve ser igual a zero, :
(1)
Na primeira etapa,
Através de análise de malhas:
(2)
(3)
(4)
(5)
Usando (4) e (5) em (3):
(6)
9
Indutância é obtida através da relação (1) em (6):
(7)
Obtenção da capacitância:
(8)
(9)
Na segunda etapa, (roda-livre):
(10)
(11)
As formas de onda de interesse do conversor CC-CC estão
representadas na figura 8.
10
Figura 8 – (a) Tensão sobre o diodo, (b) corrente sobre o indutor, (c) Corrente
sobre a fonte E e (d) Corrente sobre o diodo.
1.4 Objetivos
Este relatório tem como objetivos:
1. Descrever a montagem do circuito retificador de onda completa em ponte com
filtro capacitivo;
11
2. Mostrar a influência do filtro capacitivo e da atuação dos diodos da ponte para
retificação;
3. Descrever o funcionamento de um modulador PWM e seu uso na chave de
um conversor CC-CC abaixador;
4. Descrever a montagem e uso de um conversor CC-CC BUCK e a sua
integração com o circuito retificador de onda completa com filtro capacitivo e o
modulador PWM e;
5. Comprovar a correspondência dos modelos teóricos estudados com a prática;
2. Relação de Materiais
Para a realização desta experiência foram utilizados os seguintes
materiais:
2.1. Retificador monofásico de onda completa com filtro capacitivo:
- 1 lâmpada 25Wx220v
- soquete
- 4 diodos 1n4007
- 1 resistor de 0,1 Ω x 5W
- 1 capacitor eletrolítico 220 uF x 250V
2.2 Modulador PWM:
- 1 CI SG3525
- Soquete para CI de 16 pinos
- 2 capacitores eletrolíticos 10uF x 25V
- 1 capacitor 10 nF x 25V
- 1 trimpot 4,7k
- 2 diodos 1n4148
- 1 diodo zener 18V x 1/2W
- 2 resistores 10K x 1/8W
- 1 resistor 22 x 1/8W
- 1 resistor 10 x 1/8W
- 1 resistor 4,7k x 1/8W
- 1 Transistor BC548
12
- 1 Transistor BC 558
2.3 Conversor CC-CC BUCK:
- 2 resistores 47Ω x 10W
- 1 resistor 0,1 Ω x 10W
- 1 indutor 11mH
- 1 diodo UF4007
- 1 MOSFET IRF740
- 1 capacitor 47uF 50V
2.4 Materiais de uso comum:
- Ferro de soldar
- Estanho fino para soldagem
- Cabos banana-jacaré
- Fita isolante
3. Desenvolvimento
3.1 Teórico
Como não foram especificados valores de referência, estipula-se (para
fins de referência e análise) que a freqüência de comutação encontrada é de
16kHz.Tendo como conhecido o valor do indutor e do capacitor, calcula-se:
Cálculo de D:
Cálculo de
Cálculo de
13
Os valores de tensão que a chave e o capacitor devem suportar, no
mínimo, têm de ser iguais a tensão de entrada.
3.2 Prático
Dada a confecção do circuito, conforme exemplificado acima, realizou-se
as medições para a determinação das principais características
presentes.Inicialmente mediu-se a freqüência de comutação do circuito
conforme visto na figura 9:
Figura 9: Forma de onda representando a freqüência de comutação.
Tal valor é visto como sendo de e pela fórmula , tem-se
que o valor do período corresponde a .
Através do trimpot,variou-se a Razão Cíclica (D) afim de obter uma
tensão de saída de aproximadamente 30 V como mostrado na figura 10:
14
Figura 10: Formato da Tensão de saída.
Conhecendo o valor médio da saída e sabendo que o valor de entrada é
de 60 V, através da expressão , obtem-se uma razão cícilica de 0,495
(aproximadamente 0,5).O conceito de razão cíclica consiste numa relação entre
o tempo em que a onda modulada apresenta um valor positivo, tempo em que
está ligada, e o seu período:
Analisando as figuras 11 abaixo:
Figura 11:Tempo ligado detalhado.
15
Figura 12: Medição do periodo da onda modulada.
Analisando os dados apresentados nas figuras, vê-se uma incoerência.O
tempo ,mostrado na fig11, apresenta um valor de .Calculando a
razão cíclica usando o valor do período mostrado na fig. 12, encontra-se um
valor de aproximadamente 0,38.Como expresso anteriormente, deveria ser
encontrado um valor aproximado de 0,5, o que não ocorreu pela analise das
figuras em questão.Um dos motivos para o resultado não coincidir é um possível
erro de medição.
Conectando as pontas do osciloscópio no shunt em série com o indutor,
observou-se a forma de tensão:
Figura. 13: Formato da tensão no shunt em série com o indutor
16
Como especificado na imagem a variação de tensão é da ordem de
, utilizando a expressão , o resultado para a variação de
corrente ou 36,88%.O valor mínimo da corrente é de ,o
máximo de , logo conhecendo a variação do valor médio da corrente no
indutor apresenta-se o valor de
Em seguida, foram realizadas medições na saída do conversor.Primeiro
variou-se a carga onde obteve-se o mostrado:
Figura 14: Tensão de saída com variação da carga.
Por último, mediu-se a ondulação da tensão de saída na carga,
ou .
Figura 15:Variação da tensão de saída.
17
3.3 Confecção do circuito
Na montagem do circuito foram utilizadas duas placas de circuito
impresso do tipo placa padrão, com as ilhas de cobres prontas. A montagem do
circuito e a soldagem de seus componentes foram feitas conforme visto na teoria
apresentada anteriormente neste relatório. Foram adicionados resistores de
baixa resistência (0,1 Ω) para medição de correntes ao longo do circuito, e
cabos nas laterais da placa padrão para se aplicar a tensão a qual será
retificada e a alimentação CC do controlador.
Na figura 16 se tem uma imagem do circuito em seu estágio final, o
mesmo foi utilizado para todos os ensaios realizados em aula. Na placa superior
se encontra o retificador e na inferior o controlador.
Figura 16 – Imagem do circuito retificador utilizado nos ensaios em aula.
18
4. Conclusão
Após a análise dos resultados obtidos nos ensaios é possível concluir que
num patamar geral, o conversor buck operou como o esperado.
Observou-se na saída do circuito um sinal continuo de tensão, com uma
pequena faixa de ondulação, o que já era esperado do circuito, devido ao
intervalo de tempo no qual o capacitor está descarregando energia.No entanto, a
ondulação de tensão de saída medida, em relação ao referencial estipulado pelo
grupo, apresentou valor diferente.O mesmo aconteceu com a ondulação de
corrente no indutor.Esta, apresentou um grau de ruídos que foi em parte
corrigida pelo osciloscópio, mas se manifestou presente na gravação da imagem
da onda.Apesar dessa perturbação, foi possível ver a forma da onda.A condução
apresentada no conversor é contínua.Isso pode ser visto na figura X, onde a
corrente no indutor (mesma da saída) não chega a um valor zero.
Além de ter tido a oportunidade de ver-se o conversor buck em operação,
este trabalho enriqueceu nossas experiências técnicas na faculdade, a qual
ainda não haviam sido muito trabalhada no decorrer dos períodos passados,
desde do dimensionamento dos componentes até a soldagem dos mesmos na
placa padrão.
19
5. Referências Bibliográficas
AHMED, A. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, p. 168 – 173. São Paulo – 2000.
BARBI, Ivo. Eletrônica de Potência. 4ª Edição, Florianópolis, Ed. do Autor, 2002.
GUIRARDELLO, A. ”Apostila sobre Modulação PWM – Curso Técnico em
Eletrônica Industrial”. Colégio POLITEC, 2005.
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