Diógenes Grave Patrícia Câmara Simon Delabie Túlio Dourado.
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Controle e Simulação de Conversores CC/CC
Diógenes GravePatrícia CâmaraSimon DelabieTúlio Dourado
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Sumário
Descrição da AplicaçãoTeoriaCaracterísticas dos Conversores UtilizadosProjeto e EspecificaçõesExemplos de Aplicações ReaisReferências
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Controle e Simulação de Conversores CC-CC
Descrição da Aplicação
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Os Conversores DC-DC são largamente utilizados em dispositivos eletrônicos pois tais dispositivos frequentemente contém diversos subcircuitos que exigem diferentes níveis de tensão em relação ao fornecido pela bateria.
Descrição da Aplicação
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ExemplosDispositivos Eletrônicos PortáteisCarregador de BateriaNo-Breaks
Descrição da Aplicação
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Teoria
Controle e Simulação de Conversores CC-CC
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Os conversores DC-DC são dispositivos usados para converter uma fonte de tensão contínua de um nível para outro.Utilizam comutação de sinal e armazenamento de energia (indutor, capacitor, transistores, diodos).Também conhecidos como reguladores chaveados ou fontes chaveadas.
Teoria
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A Conversão é realizada pelo armazenamento temporário da energia de entrada e da liberação na saída com uma tensão diferente.
Vantagens:Alta EficiênciaDispositivos reduzidos (CI)
Teoria
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Desvantagens: Maior Custo Complexidade Emissão de Ruídos
Teoria
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A conversão pode ser feita para diminuir a tensão de saída em relação à de entrada ou o contrário.
Step-up / Step down
Além disso podem variar a polaridade entre entrada e saída.
Teoria
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Topologias
Existem diversas topologias de conversores DC-DC, cabendo ao projetista determinar aquela que melhor se aplica.
Teoria
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Topologias mais utilizadas
Teoria
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Conversores que utilizam transformadores são chamados de isolados, ao contrário dos não isolados.A classificação em Forward e Flyback é feita pois no Forward a energia percorre o elemento magnético e a carga simultaneamente.Já no Flyback, a energia é transferida para o elemento magnético e num segundo estágio é liberado para a carga.Além disso os conversores podem ser classificados em Inversores e Não Inversores de Polaridade.
Teoria
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PWM
Frequência mínima de duas vezes a máxima frequência da banda passante.
Filtrar a tensão de referência para evitar harmônicos em frequência maior ou igual à de chaveamento.
Teoria
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Métodos de controle:Controle feito por PWM (modulação em largura de pulso), com os seguintes métodos:
Single-loop control (Controle de laço/malha simples)
Input voltage feedforward (Alimentação com a tensão de entrada)
Current-mode control (Controle pelo método da corrente)
Teoria
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Métodos de controle: Single-loop control
Controlado pela comparação entre a tensão de saída e o ciclo de trabalho.
Teoria
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Métodos de controle: Input Voltage Feedforward
Aumenta a imunidade da tensão de saída do conversor em relação a ruídos na tensão da entrada DC;
Faz o valor de pico da rampa do modulador PWM proporcional à tensão de entrada DC;
Um aumento da tensão DC de entrada aumentará a inclinação da rampa do PWM.
Teoria
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Métodos de controle: Current-mode control
O PWM é substituído por um circuito de realimentação de corrente;
O método promove controle da corrente de saída e protege o circuito de potência;
Melhor performance na rejeição de ruídos da fonte e no aumento de carga.
Teoria
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Métodos de controle: Current-mode control
Teoria
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Projeto e Especificações
Conversores CC-CCAplicados em Fontes de Alimentação Chaveadas e Acionamento de motores de Corrente Contínua.Nas fontes chaveadas, sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o Ripple e regulando a tensão de saída da fonte.
Topologia BásicaConversor Abaixador ou BuckConversor Elevador ou BoostConversor Elevador-Abaixador ou Buck-Boost
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Projeto e Especificações
Diagrama de blocos da Conversão CC-CC
Nota-se então, que uma fonte chaveada é formada por um laço com realimentação negativa que visa manter constante tensão de saída Vs.
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Projeto e Especificações
Diagrama de blocos da Conversão CC-CC
A tensão de controle (Vcontrole) é obtida por um circuito controlador (compensador), que atua a partir de dois sinais de entrada: o valor medido (tensão de saída, por exemplo), e um sinal de referência desejada.
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Projeto e Especificações
A implementação de malha(s) de controle tem como objetivo garantir:
A precisão no ajuste da Variável de SaídaA correção de desvios provenientes de transitórios na alimentação ou mudança na carga.
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Projeto e Especificações
A modulação PWM pode ser obtida utilizando CIs dedicados, como:
SG3524, SG3525, SG3526, SG3527, TL494. As características específicas de cada CI variam
Em função da aplicação, do grau de desempenho esperado, das proteções implementadas.
Circuitos de comando ou gate-driversFrequentemente utilizados para comandar as chaves semicondutoras a partir do sinal PWM,
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Exemplos de Aplicações Reais
Controle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
Composto por um circuito integrado controlador PWM com alguns componentes adicionais, como resistores e capacitores, responsáveis pela determinação da frequência de operação;Circuito integrado LM3524;Não possui circuito interno de acionamento do transistor;Possibilita limitação de corrente;Frequência máxima de PWM na ordem de 300kHZ;Possui Tensão de referência interna;
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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
Esquemático do Conversor Buck com controle a PWM:
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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
Circuito de acionamento do transistor:Composto por diodos, transistores, resistores e um transformador;Tem principal função de acionar o transistor comutador;Recebe o sinal PWM do controlador LM3524, transferindo o comendo de abrir ou fechar, para a chave semi-condutora;
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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
Esquemático do Conversor Buck com circuito de acionamento do transistor:
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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
Circuito de limitação de corrente:Conversores Buck podem apresentar picos de corrente;Atua em conjunto com o integrado LM3524 para limitar a corrente e evitar danos ao dispositivo;
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Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
Circuito de limitação de corrente:Funcionamento:Corrente de entrada acima do permitido;Sensor resistivo polariza o conjunto de transistores;Um sinal é enviado ao controlador;O sinal PWM é cortado até ocorrer a estabilização da corrente;
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Esquemático do Conversor Buck com circuito de limitação de corrente:
Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
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Circuito de potência:
Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Buck para aplicação em satélite aeroespacial artificial.
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Controle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.
Exemplos de Aplicações Reais
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Carregador de Baterias:Conversor CC-CC Flyback no modo descontinuo com transformador controlado pelo integrado 1M0380;Regulador de Tensão do carregador através do TL431;Circuito de controle de corrente;Tensão de saída do carregador em 28V;
Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.
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Flyback:
Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.
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Controlado pelo integrado 1M0380Pino 3 com tensão de 18V mantido pelo Zener;Liberação dos primeiros sinais PWM;Alimentação do integrado pelo terceiro enrolamento do flyback;Tensão de alimentação fixada em 30V pelo enrolamento;
Exemplo de Aplicações ReaisControle de conversor CC-CC de topologia Flyback no modo descontinuo para aplicação em carregadores de bateria.
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A partir da figura do flyback do segundo exemplo da aplicação prática, projete o transformador do mesmo, considerando para os cálculos:
Tensão de entrada entre 130V e 350V;A razão cíclica, δ, de 0,5;Corrente saída máxima de 1A e mínima de 0,1A;Tensão de saída de 28V;Queda de tensão no diodo de 1,5V;Frequencia de trabalho do LM0380 de 67kHz
Exercícios
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Projete os parâmetros do circuito de potência (L e C) do conversor Buck do primeiro exemplo prático. Dados:
Tensão de entrada (Vi): entre 22V e 36V;Tensão de saída de 5V;Ripple da tensão de saída: 10mVppCorrente de saída (Io): 200mA;Carga (R): 25Ω;Comutação do transistor: PWM;Frequencia de trabalho do PWM: 100kHzOperação: MCC
Exercícios
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Referências
Rodrigues, Leandro Gaspari – Estudo e Desenvolvimento de um Conversor DC-DC de Topologia Buck para aplicação Aeroespacial. Escola de Engenharia de São Carlos – USPShiavon, Gilson Junior – No-Break 1,2KVA, Senoidal, Operando em Malha Fechada: Cirtuito de Potência, Circuito de Controle Analógico e Circuito de controle Digital com DSC – Centro de Tecnologia e Urbanismo – Universidade Estadual de LondrinaBrumatti, Márcio – Eletrônica de Potência. Automação Industrial. Centro Federal de Educação Tecnológica do Espírito Santo – CEFET/ESA. J. Forsyth, S. V. Mollov - Modelling and Control of DC-DC Converters. Power Engineering Journal. 1998.
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DÚVIDAS