Seminário de Eletrônica Industrial II Prof. Márcio Abud Junho/2009

1. Seminário de Eletrônica Industrial II Prof. Márcio Abud Junho/2009 Rodrigo C. SÁtiro 06526-3 Vitor Moreira Peres 04238-3

2. Princípio básico de operação: • Considerado uma chave ideal; • Fornece potência alternada para a carga.

3. Ton = tempo de condução do chopper • T = período

4. Valor médio da tensão: • d = ; d = duty cicle – determina o nível médio de tensão na carga.

5. Duty Cicle • Duas formas de controle: • Frequência constante: modulação PWM (mais usado); • Frequência variável: T variável e Ton e Toff constantes.

6. Aplicações

7. Aplicações • Outras aplicações: - Fontes de alimentação DC; - Carregadores de bateria; - Reguladores chaveados; - Aquecimento resistivo; - Controle de lasers de diodo.

8. Vantagens • Maior economia de energia em veículos operados por bateria; • Frenagem regenerativa; • Diminuição das correntes de partida; • Variação mais uniforme da aceleração; • Menor manutenção; • Rápida resposta a perturbações.

9. REGULADORES CHAVEADOS Os Choppers podem ser utilizados como reguladores chaveados, para converter uma tensão CC, em geral não regulada, em uma tensão CC regulada de saída. A regulação normalmente é conseguida por modulação em largura de pulsos a uma frequência fixa, sendo o dispositivo de chaveamento na maioria das vezes um TJB, MOSFET ou IGBT de potência. NOTA: O projetista pode selecionar a frequência de chaveamento escolhendo os valores de R e C do oscilador. Como uma regra prática, para maximizar a eficiência, o período mínimo do oscilador deve ser 100 vezes maior que o tempo de chaveamento do transistor.

10. REGULADORES CHAVEADOS A tensão de controle vgpode ser obtida comparando-se a tensão de saída com seu valor desejado; vcpode ser comparado com um tensão dente de serra vr para gerar o sinal de controle PWM para o Chopper.

11. REGULADORES CHAVEADOS Há quatro topologias básicas de reguladores chaveados: • Reguladores BUCK; • Reguladores BOOST; • Reguladores BUCK-BOOST; • Reguladores CÚK.

12. REGULADOR BUCK Em um regulador Buck, a tensão média de saída Va é menor que a tensão de entrada Vs, caracterizando-se assim um Regulador Abaixador.

13. REGULADORES BUCK

14. E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1: Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:

15. REGULADOR BUCK Os reguladores Buck requerem apenas um transistor, são simples e têm eficiência elevada, maior que 90%.; O di/dt da corrente de carga é limitado pelo indutor L. Entretanto, a corrente de entrada é descontínua e um filtro de alisamento de entrada normalmente é requerido; Ele fornece uma polaridade da tensão de saída e a corrente de saída é unidirecional; Ele requer um circuito de proteção em caso de possível curto-circuito através do caminho do diodo.

16. REGULADOR BOOST Um regulador Boost utilizando um MOSFET de potência é mostrado abaixo: Em um regulador Boost a tensão de saída é maior que a tensão de entrada.

17. REGULADOR BOOST Quando o transistor está conduzindo, o capacitor fornece a corrente de carga por t = t1.

18. E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1: Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:

19. REGULADOR BOOST Um regulador Boostpode elevar a tensão de saída sem um transformador; Devido ao único transistor, ele tem uma eficiência elevada; A corrente de entrada é contínua. Entretanto, um alto pico de corrente tem de fluir através do transistor de potência; A tensão de saída é muito sensível a variações no ciclo de trabalho k e pode ser difícil estabilizar o regulador; A corrente média de saída é menor que a corrente média do indutor por um fator de (1-k) e uma corrente eficaz muito mais elevada flui através do capacitor de filtro, resultando na utilização de um capacitor e um indutor de filtro maiores que aqueles de um regulador buck. Supondo um circuito sem perdas:

20. REGULADOR BUCK-BOOST Um regulador buck-boost fornece uma tensão de saída que pode ser menor ou maior que a tensão de entrada; a polaridade da tensão de saída é oposta à da tensão de entrada. Este regulador também é conhecido como regulador inversor.

21. REGULADOR BUCK-BOOST

22. E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1: Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:

23. REGULADOR BUCK-BOOST Um regulador buck-boost fornece polaridade inversa da tensão de saída sem um transformador; Ele tem eficiência elevada; Sob condição de falta do transistor, o di/dt da corrente de falta é limitado pelo indutor L e será Vs/L; A proteção de curto-circuito de saída é fácil de ser implementada; Entretanto, a corrente de entrada é descontínua e um pico de corrente elevada flui através do transistor Q1.

24. REGULADOR CÚK Similar ao regulador buck-boost, o regulador Cúk fornece uma tensão de saída que é menor ou maior que a tensão de entrada, mas com a polaridade oposta à esta. Quando a tensão de entrada é ligada e o transistor Q1 desligado, o diodo Dm é diretamente polarizado e o capacitor C1 carregado através de L1, Dme da tensão de entrada Vs.

25. REGULADOR CÚK

26. E devido ao capacitor carregado C1, a corrente no indutor L1 caia linearmente de IL12 a IL11 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor L1 cresça linearmente de IL11 a IL12 no tempo t1: Onde, Vc1 é a tensão média no capacitor C1. Encontrando o valor de ∆I1 nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média no capacitor C1:

27. E a corrente no indutor L2 caia linearmente de IL22 a IL21 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor L2 cresça linearmente de IL21 a IL22 no tempo t1: Encontrando o valor de ∆I2 nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média no capacitor C1:

28. REGULADOR CÚK Igualando as duas equações de Vc1 encontradas anteriormente, encontra-se a tensão média de saída como: O regulador CúK baseia-se na transferência de energia do capacitor. Como resultado, a corrente de entrada é contínua. O circuito tem baixas perdas de chaveamento e eficiência elevada. Quando o transistor Q1 está conduzindo, ele suporta correntes dos indutores L1 e L2. Consequentemente, um pico elevado de corrente flui através dele. Como o capacitor possibilita a transferência de energia, a ondulação de corrente do capacitor C1 também é elevada. Esse circuito também requer um capacitor e um indutor adicionais.

29. REGULADORES CHAVEADOS Limitações da Conversão em um Único Estágio

30. CONVERSORES CC-CC ISOLADOS

31. CONVERSOR BUCK FULL-BRIDGE

32. BUCK HALF-BRIDGE

33. CONVERSOR FORWARD

34. CONVERSOR FLYBACK

35. BUCK PUSH-PULL ISOLADO

36. OUTROS CONVERSORES ISOLADOS

37. Chopper em motor DC • Um quadrante: operação apenas de motorização ou de regeneração • Dois quadrantes: operação de motorização e frenagem regenerativa com um único sentido de giro do motor • Quatro quadrantes: operação de motorização e frenagem regenerativa com sentidos de giro diferentes

38. Chopper de Um Quadrante • Primeiro quadrante: tensão e corrente são positivas.

39. Chopper de Um Quadrante • Segundo quadrante: tensão positiva e corrente negativa.

40. Chopper de Dois Quadrantes • Tipo A: inverte o sentido da corrente mas mantém o mesmo sentido da tensão.

41. Operação de motorização: CH1 “on” e D1 “off” CH1 “off” e D1 “on”

42. Operação de regeneração: CH2 “on” e D2 “off” CH2 “off” e D2 “on”

43. Chopper de Dois Quadrante • Tipo B: inverte o sentido da tensão mas mantém o mesmo sentido da corrente.

44. Operação de motorização: CH1 “on” e CH2 “on” CH1 “off” e CH2 “on”

45. Operação de regeneração:

46. Chopper de Quatro Quadrantes • Inverte o sentido da corrente e da tensão no motor.

47. Operação de motorização no sentido 1: CH4 está sempre “on” e CH1 fica chaveando.

48. Operação de regeneração no sentido 1: CH1, CH3 e CH4 sempre “off” e CH2 fica chaveando. Não há necessidade de inverter a tensão Ea.

49. Operação de motorização no sentido 2: CH2 sempre “on” e CH3 fica chaveando.

50. Operação de regeneração no sentido 2: CH1, CH2 e CH3 sempre “off” e CH4 fica chaveando.