inversor Calculos

7/22/2019 inversor Calculos

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MARCELO RODRIGUES

TOPOLOGIA INVERSORA BASEADA NO

CONVERSORPUSH-PULLCOM MODULAOSPWM

Dissertao apresentada ao Curso de Ps-Graduao, em Engenharia Eltrica, daUniversidade Estadual de Londrina, comorequisito parcial obteno ao ttulo deMestre.

Orientador: Prof. Dr. Carlos H. G. Treviso

Londrina2008


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Catalogao na publicao elaborada pela Diviso de Processos Tcnicos da BibliotecaCentral da Universidade Estadual de Londrina.

Dados Internacionais de Catalogao-na-Publ icao (CIP)

R696t Rodrigues, Marcelo.Topologia inversora baseada no conversor push-pull com modulaoSPWM / Marcelo Rodrigues. Londrina, 2008.112 f. : il.

Orientador: Carlos Henrique Gonalves Treviso.Dissertao (Mestrado em Engenharia Eltrica) Universidade

Estadual de Londrina, Centro de Tecnologia e Urbanismo, Programade Ps-Graduao em Engenharia Eltrica, 2008.Inclui bibliografia.

1. Amplificador de udio Teses. 2. Conversor push-pull Modu-lao PWM Engenharia eltrica Teses. I. Treviso, Carlos HenriqueGonalves. II. Universidade Estadual de Londrina. Centro de Tecnologiae Urbanismo. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica.III. Ttulo.

CDU 621.314


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MARCELO RODRIGUES

TOPOLOGIA INVERSORA BASEADA NOCONVERSORPUSH-PULLCOM MODULAO

SPWM

Dissertao apresentada ao Curso de Ps-Graduao, em Engenharia Eltrica rea deConcentrao: Eletrnica de Potncia, daUniversidade Estadual de Londrina, comorequisito parcial obteno ao ttulo deMestre.

COMISSO EXAMINADORA

_______________________________________ Prof. Dr. Carlos H. G. Treviso UEL

_______________________________________

Prof. Dr. Azis Elias Demian Junior UEL

_______________________________________Prof. Dr. Srgio A. Oliveira da Silva - UTFPR

Londrina, 11 de dezembro de 2008.


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Aos meus pais, que moram no meu

corao.


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AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Carlos H. G. Treviso, que sabiamente me orientou durante todo

este trabalho, conciliando arduamente seu tempo de orientao, preparao de aulas, correo

de provas, atendimento aos alunos e nos ltimos tempos a chefia do departamento.

A todos os professores do curso de Engenharia de Eltrica desta instituio,

pois eles foram os meios para hoje eu estar aqui, em especial ao Prof. Dr. Marcelo Carvalho

Tosin e ao Prof. Dr. Taufik Abro por terem confiado em mim, dando a chance de ingressar

no programa de mestrado.

Aos meus pais Luiz Carlos e Heleninha, por tanto acreditarem em mim e

estarem ao meu lado em todos os momentos em que precisei, mesmo que distantes

fisicamente, mesmo nos momentos de crise.

minha namorada Fernanda, por todos os bons momentos juntos, me

ajudando a enfrentar mais esta etapa da vida, dando fora e votos de sucesso. Acalmando-me

quando nervoso, me corrigindo quando necessrio.

Aos professores componentes da Banca de Avaliao pela pacincia e

tempo dedicados ao meu trabalho.

toda minha famlia.

Ao Seu Marclio e Dona Naddir, pais da minha namorada. Pessoas

especiais com as quais venho convivendo por dois anos e que tm mostrado minha segunda

famlia.

Universidade Estadual de Londrina pelo servio prestado pesquisa.

Ao Departamento de Engenharia Eltrica por ofertar a possibilidade para

Engenheiros se aperfeioarem em uma ps-graduao StrictoSensu.

Enfim, a todos que direta ou indiretamente fizeram deste trabalho uma

realidade, OBRIGADO!


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Algo s impossvel at que algum duvide e acabe provando ocontrrio.

Albert Einstein


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RODRIGUES, Marcelo. Proposta de Topologia Inversora Baseada no Conversor push-pullcom Modulao SPWM. 2008. Dissertao (Mestrado em Engenharia Eltrica) Universidade Estadual de Londrina.

RESUMO

Este trabalho apresenta um contedo de carter terico/prtico, ao dispor informaesorganizadas e classificadas sobre amplificadores de udio, simulaes e experimento prtico,registrada pela apresentao e discusso das formas de onda. feita uma anlise completa dofuncionamento da topologia proposta. mostrado todo o desenvolvimento do prottipo da

topologia inversora, compreendido pelo procedimentos de projeto, simulao defuncionamento e obteno de resultados experimentais.

Palavras-chaves:amplificador de udio, classe D, inversor, push-pull, PWM.


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RODRIGUES, Marcelo. Inverter Topology Based on Push-pull Converter with SPMWModulation. 2008. Dissertation (Master Degree Stricto Sensu) Universidade Estadual deLondrina.

ABSTRACT

This work shows a theoretical and practical development that brings organized and classifiedinformation about audio amplifiers, simulation and practical experiment, which is registered

by the output wave form discussion. A complete analysis operation of the proposed topologyis done. It shows a complete inverter prototype developing that comprehends the project

procedures, simulation and experimental results.

Key-words:audio amplifier, class D, inverter, push-pull, PWM.


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LISTA DE ILUSTRAES

Figura 1 Amplificador Classe A ........................................................................................ 17Figura 2 Amplificador Classe B ........................................................................................ 18

Figura 3 Rendimento do Amplificador Classe B .............................................................. 18

Figura 4 Distoro de Crossover ....................................................................................... 19

Figura 5 Amplificador Classe AB ..................................................................................... 20

Figura 6 Rendimento do Amplificador Classe AB ............................................................ 20

Figura 7 Princpio de Operao do Amplificador Classe D .............................................. 21

Figura 8 Rendimento do Amplificador Classe D ............................................................... 22

Figura 9 Diagrama de Blocos de uma Amplificador Classe D .......................................... 22

Figura 10 Amplificador Classe D Meia Ponte ............................................................... 23

Figura 11 Amplificador Classe D Ponte Completa ........................................................ 23

Figura 12 Resposta em Freqncia da Magnitude (dB) .................................................... 26

Figura 13 Resposta em Freqncia da Fase ...................................................................... 27

Figura 14 Conversorpush-pul ........................................................................................... 32

Figura 15 Etapa 1 de funcionamento do conversorpush-pull ........................................... 33



Figura 18 Principais Formas de Onda do Conversorpush-pull ........................................ 35

Figura 19 Excurso no primeiro e terceiro quadrante da Curva B-H ................................ 37

Figura 20 Ondas utilizadas na gerao SPWM ................................................................. 43

Figura 21 Gerao do Sinal SPWM .................................................................................. 44

Figura 22 Filtro LC passa baixo ........................................................................................ 45

Figura 23 Diagrama de Bode do filtro LC (magnitude) para carga resistiva .................... 46


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Figura 24 Diagrama de Bode de filtro LC (fase) para carga resistiva ............................... 46

Figura 25 Topologia proposta ........................................................................................... 51

Figura 26 Passo 1 ............................................................................................................... 53

Figura 27 Passo 2 ............................................................................................................... 53

Figura 28 Passo 3 ............................................................................................................... 54

Figura 29 Passo 4 ............................................................................................................... 55

Figura 30 Passo 5 ............................................................................................................... 56

Figura 31 Passo 6 ............................................................................................................... 56

Figura 32 Passo 7 ............................................................................................................... 57

Figura 33 Passo 8 ............................................................................................................... 58

Figura 34 Formas de onda de chaveamento ...................................................................... 58

Figura 35 Circuito excitador de Gate ................................................................................ 63

Figura 36 Circuito de Driver implementado ..................................................................... 65

Figura 37 O TC4538 .......................................................................................................... 66

Figura 38 Fontes Auxiliares para Alimentao dos Drivers ............................................. 67

Figura 39 Circuito Snubber ............................................................................................... 67

Figura 40 Snubber do primrio .......................................................................................... 69

Figura 41 Diagrama de blocos do Circuito de Controle .................................................... 81

Figura 42 Circuito gerador de referncia em 6V ............................................................... 81

Figura 43 Formas de Ondas dos Pulsos de Chaveamento ................................................. 82

Figura 44 Circuito Gerador Triangular .............................................................................. 82

Figura 45 Circuito Gerador Senoidal ................................................................................ 83

Figura 46 Circuito Retificador de Preciso ....................................................................... 84

Figura 47 Circuito comparador PWM ............................................................................... 84

Figura 48 Circuito Detector e Separador de semi-ciclos PWM ....................................... 85


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Figura 49 Circuito Separador de Pulsos das Chaves dos Primrios .................................. 85

Figura 50 Circuito Gerador de Pulsos das Chaves Bidirecionais ...................................... 86

Figura 51 Formas de onda dos estgios: (a)gerao triangular e senide retificada,

(b)pulsos das chaves SW1 e SW2, (c)pulsos das chaves SW2 e SW3,

(d)pulsos das chaves SWB1 e SWB2 .............................................................. 87

Figura 52 Circuito de Controle Simulado ......................................................................... 90

Figura 53 Circuito de Potncia Simulado .......................................................................... 90

Figura 54 Tenso sobre a carga resistiva ........................................................................... 91

Figura 55 Corrente sobre a carga indutiva ........................................................................ 92

Figura 56 Tenso de sada do inversor com carga resistiva e filtro LC ............................ 92

Figura 57 Carga no linear (retificador em ponte completa com filtro capacitivo) ........... 93

Figura 58 Tenso e corrente da carga R ............................................................................ 93

Figura 59 Tenso sobre a carga R (inversor com filtro LC) .............................................. 94

Figura 60 Prottipo do Inversor ........................................................................................ 94

Figura 61 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 1kHz ............................ 96

Figura 62 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 2.5kHz ......................... 96


Figura 64 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 7,5kHz ........................ 98

Figura 65 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 10kHz ......................... 98


Figura 67 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 2,5kHz ....................... 101

Figura 68 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 7,5kHz ....................... 102

Figura 69 Forma de onda de sada para freqncia de entrada de 10kHz ........................ 103

Figura 70 Resposta em Freqncia do Amplificador ........................................................ 104

SUMRIO


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1.INTRODUO ....................................................................... 14

2.AMPLIFICADORES DE UDIO DE POTNCIA ...................... 16

2.1.INTRODUO ............................................................................... 162.2.AMPLIFICADOR CLASSEA.......................................................... 162.3.AMPLIFICADOR CLSSEB ............................................................. 172.4.AMPLIFICADOR CLASSEAB....................................................... 192.5.AMPLIFICADOR CLASED........................................................... 212.6.PARMETROS TCNICOS DEAMPLIFICADORES DEUDIO........ 24

2.6.1.POTNCIARMS........................................................................ 242.6.2.RESPOSTA EMFREQNCIA............................................... 25

2.6.2.1.MAGNITUDE OU GANHO ..................................... 252.6.2.2.FASE .................................................................. 25

2.6.3.DISTORO ........................................................................ 272.6.3.1.DISTOROHARMNICA TOTAL (DHT) .............. 272.6.3.2.DISTORO PORINTERMODULAO .................... 28

2.6.4.RELAO SINAL/RUDO OU SIGNAL/NOISE (S/N).............. 292.6.5.SENSIBILIDADE .................................................................. 30

2.7.CONCLUSO................................................................................ 30

3.T

OPOLOGIAP

ROPOSTA EA

NLISET

ERICA.................... 323.8.INTRODUO .............................................................................. 32

3.9.OCONVERSORPUSH-PULL........................................................ 323.9.1.ETAPAS DE OPERAO EFORMAS DE ONDA ...................... 333.9.2.OTRANSFORMADOR........................................................... 363.9.3.OS TRANSISTORES .............................................................. 39

3.10.INVERSORES............................................................................. 423.11.TCNICAS DEMODULAO...................................................... 42

3.11.1.MODULAO PORLARGURA DEPULSO SENOIDAL .......... 43


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3.12.OFILTROLC............................................................................ 443.12.1.DIMENSIONAMENTO DOINDUTOR DEFILTRO (LF) ........... 47

3.13.TOPOLOGIA DOAMPLIFICADORPROPOSTO............................. 513.13.1.PRINCPIO DEFUNCIONAMENTO...................................... 523.13.2.CHAVESBIDIRECIONAIS................................................... 59

3.14.CONCLUSO.............................................................................. 60

4.PROCEDIMENTOS DE PROJETO ........................................... 61

4.1.INTRODUO .............................................................................. 614.2.PROJETO DOINVERSOR DE TENSO .......................................... 61

4.2.1.AS CHAVES......................................................................... 634.2.2.CIRCUITO DEDRIVER......................................................... 644.2.3.CIRCUITO SNUBBER ........................................................... 67

4.2.3.1.SNUBBER DAS CHAVES DOS PRIMRIOS ............... 684.2.3.2.SNUBBER DAS CHAVES DOS SECUNDRIOS ........... 69

4.2.4.OTRANSFORMADOR .......................................................... 704.2.4.1.ESCOLHA DONCLEO ........................................ 704.2.4.2.ENORLAMENTOS DE PRIMRIO ............................ 714.2.4.3.ENROLAMENTOS DE SECUNDRIO ....................... 72

4.2.5.OFILTROLC..................................................................... 724.3.PROJETO DOAMPLIFICADOR .................................................... 73

4.3.1.AS CHAVES......................................................................... 744.3.2.CIRCUITO SNUBBER ........................................................... 75

4.3.2.1.SNUBBER DAS CHAVES DOS PRIMRIOS ............... 754.3.2.2.SNUBBER DAS CHAVES DOS SECUNDRIOS ........... 75

4.3.3.OTRANSFORMADOR .......................................................... 764.3.3.1.ESCOLHA DONCLEO ........................................ 764.3.3.2.ENROLAMENTOS DE PRIMRIO ............................ 764.3.3.3.ENROLAMENTOS DE SECUNDRIO ....................... 77

4.3.4.OFILTROLC..................................................................... 774.4.OCIRCUITO DE CONTROLE ....................................................... 80


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4.4.1.INTRODUO...................................................................... 804.4.2.CIRCUITO GERADOR DA ONDA TRIANGULAR ..................... 824.4.3.CIRCUITO GERADOR DA ONDA SENOIDAL.......................... 834.4.4.CIRCUITORETIFICADOR DE ONDA COMPLETA DE

PRECISO ............................................................................................ 83

4.4.5.CIRCUITO COMPARADOR E CIRCUITOS SEPARADORES DEPULSOS............................................................................................... 84

4.5.CONCLUSO ............................................................................... 88

5.RESULTADOS DE SIMULAO E EXPERIMENTAIS ............. 89

5.1.INTRODUO .............................................................................. 895.2.SIMULAO DOINVERSOR DE TENSO...................................... 895.3.RESULTADOSEXPERIMENTAIS DOINVERSOR ........................... 945.4.SIMULAO DOAMPLIFICADOR DEUDIO................................ 955.5.RESULTADOSEXPERIMENTAIS DOAMPLIFICADOR................... 995.6.CONCLUSO ................................................................................. 105

PUBLICAES.................................................................................................. 106

REFERNCIASBIBLIOGRFICAS...................................................................... 107

BIBLIOGRAFIA................................................................................................. 109

ANEXOA......................................................................................................... 110

ANEXOB......................................................................................................... 111

ANEXO C......................................................................................................... 112

1.INTRODUO


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A necessidade de amplificadores de udio cuja eficincia seja elevada sem

haver, no entanto, considerveis perdas de qualidade sonora, tem feito, juntamente com o

crescente avano tecnolgico, com que novas propostas de amplificadores sejam estudadas.

Historicamente, os amplificadores de udio so configurados como Classe

A, B ou AB (topologias lineares) e seus projetos so bastante difundidos e conhecidos, assim

como a baixa eficincia destes quando comparada ao da Classe D.

As teorias para a construo de amplificadores classe D j eram bastante

difundidas na dcada de 50, porm era limitada pelos dispositivos semicondutores disponveis

[1]. No final da dcada de 60, com o desenvolvimento de transistores de potncia bipolares

complementares que foi possvel tornar realidade a construo destes amplificadores. Com o

advento dos transistores de efeito de campo de potncia complementares (MOSFETs), os

amplificadores classe D ganharam mais eficincia, e conseqentemente, seu estudo passou a

ser profundamente explorado.

A eficincia de amplificadores classe B, teoricamente, de

aproximadamente 78%. No entanto, quando a carga um alto-falante real esta eficincia cai

para cerca de 55% ou menos. J a eficincia de amplificadores classe D pode chegar 90% e

se os componentes forem cuidadosamente selecionados e projetados a eficincia pode

aproximar-se de 95% [2].

O principal compromisso, entre outros, no projeto de um amplificador de

potncia est relacionado dissipao de calor, que desencadeia outros fatores, tais como:

dimenses do amplificador, peso e volume do dissipador, ventilao forada, etc.

Um amplificador de potncia pode torna-se excessivamente grande e pesado

para altas potncias devido ao tamanho de seu transformador. Assim o desenvolvimento de

um amplificador comutado (classe D), apresenta-se como uma soluo efetiva. Alm de

possurem caractersticas intrnsecas de baixas perdas por dissipao de calor, estescontribuem para menores consumos de energia.

Os amplificadoras classe D so mais complexos e princpio mais caros do

que os amplificadores lineares, pois utilizam-se de mais elementos para seu funcionamento

tais como: oscilador, modulador, circuitos de controle e filtro de sada. No entanto seu custo

passa a ser menor para potncias superiores 100W e seu dissipador cerca de 1/10 e seu

peso cerca de 1/4 se comparado com um amplificador classe B [1].


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15

O amplificador classe D mostra-se uma soluo interessante em aparelhos

auditivos que so alimentados, em sua maioria, por baterias de 1,1V e em que o consumo de

corrente deve ser baixo, aumentando assim a vida til da bateria. [12].

Os amplificadores classe D tambm tm sido estudados para aplicaes em

sistemas de som automotivos, home theater, etc, como amplificadores de woofers e

subwoofer, uma vez que 45% de toda a potncia de sada de um amplificador de adio

devida aos subwoofers, outros 45% aos woofers e os 10% restantes aos tweeters.

Normalmente os tweeters so ligados a amplificadores classe AB devido a baixa potncia,

pequena distoro, boa eficincia, tamanho reduzido e baixo custo [11].

Este trabalho consiste em um amplo projeto em eletrnica de potncia,

visando a implementao de um amplificador de udio de potncia classe D baseado na

associao de dois conversorespush-pull.

O Captulo 2 trata de amplificadores de udio, trazendo as suas principais

classes e seus principais parmetros tcnicos.

O Captulo 3 trata da topologia proposta, bem como as anlises tericas

pertinentes, apresentando para isso uma breve reviso bibliogrfica sobre o conversorpush-

pull, inversores, tcnicas de modulao e filtro de sada.

O Captulo 4 trata os procedimentos de projeto, trazendo todos os clculos

executados para permitir a simulao e implementao do projeto proposto.

O Captulo 5 trata das simulaes e dos resultados experimentais

observados em laboratrio do projeto implementado, conforme especificado no Captulo 4.

O Captulo 6 apresenta as consideraes e concluses finais.


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2.AMPLIFICADORES DE UDIO DE POTNCIA

2.1.INTRODUO

Amplificadores de udio de potncia possuem como funo, a partir de

pequenos sinais, fornecerem grandes sinais a cargas de baixa impedncia com altas correntes

desenvolvendo grande potncia [7].

O modo como os transistores do estgio de sada operam, a fim de obtermaior linearidade (menor distoro) e/ou rendimento, determina a classe de operao do

amplificador [8]. A seguir sero apresentadas as classes de amplificadores mais utilizadas

com sinais de udio. Os principais parmetros tcnicos de amplificadores de udio tambm

sero apresentados.

2.2.AMPLIFICADOR CLASSEA

Esta classe de amplificadores a que possui menor complexidade, maior

linearidade, menores distores harmnicas para sinais de entrada de pequenas amplitudes,

porm para sinais com altas amplitudes as distores tendem a ser mais elevadas. A Figura 1

ilustra a configurao bsica do amplificador classe A.


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17

Figura 1 Amplificador Classe A

O sinal de entrada Vi precisa ser superior tenso de Threshold(limiar de

conduo) para que o transistor (MOSFET) entre em conduo e amplifique o sinal

linearmente. Desta forma h sempre uma corrente circulando pela carga. Uma grande

desvantagem desta classe seu baixo rendimento, que na teoria no mximo 25% [2]. Na

prtica, o rendimento desta classe est usualmente na faixa de 10% a 20%, sendo raramente

usada em aplicaes de elevadas potncias, acima de 1W [8].

2.3.AMPLIFICADOR CLASSEB

Esta classe caracterizada por no haver conduo de corrente de

polarizao nos transistores no estgio de sada, aumentando seu rendimento, teoricamente,

at 78,5% para uma carga resistiva [8]. Com uma carga RL (alto-falante real) este rendimento

chega no mximo 55% [2], pois este tipo de carga possui fator de potncia menor do que

um, solicitando energia reativa do amplificador. A Figura 2 ilustra a configurao bsica do

amplificador classe B.


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Figura 2 Amplificador Classe B

A Figura 3 mostra a curva de rendimento em funo da potncia

normalizada para uma carga resistiva e sinal senoidal [7].

Figura 3 Rendimento do Amplificador Classe B

Como pode ser observado na Figura 2, h a necessidade que dois

transistores sejam utilizados no estgio de sada do amplificador na configurao push-pull.

Cada transistor conduz um semiciclo do sinal de sada apenas quando so excitados pelo sinal


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19

de entrada. Durante a transio da conduo dos transistores h uma interrupo do sinal de

sada, j que o sinal de entrada , neste momento, inferior tenso Thresholddos transistores

MOSFET. Esta interrupo causa uma distoro, chamada de distoro de cruzamento ou

distoro de crossover, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4 Distoro de Crossover (assinalada pelo crculo)

2.4.AMPLIFICADOR CLASSEAB

A Classe AB mistura caractersticas da Classe A e Classe B. Uma pequena

polarizao implementada na entrada do amplificador, para minimizar ou eliminar o efeito

de crossover[8]. Sendo a corrente de polarizao bem pequena, o rendimento desta classe se

aproxima ao rendimento dos amplificadores classe B. A Figura 5 ilustra a configurao bsica

do amplificador classe AB.


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20

Figura 5 Amplificador Classe AB

A Figura 6 mostra a curva de rendimento em funo da potncia

normalizada para uma carga resistiva e sinal senoidal [7].

Figura 6 Rendimento do Amplificador Classe AB.


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21

2.5.AMPLIFICADOR CLASSED

Amplificadores Classe D tambm so conhecidos como amplificadores

chaveados, uma vez que os transistores no so utilizados na regio linear (ativa), e sim

como chaves (corte e saturao). possvel obter alto rendimento na amplificao de udio

com esta classe, pois aproveita-se a velocidade de comutao dos transistores. O rendimento

desta classe pode ser superior a 90%, mesmo com cargas no-lineares (alto falante real), pois

o fator de potncia destas no altera a caracterstica do estado ligado das chaves, que

normalmente so do tipo MOSFET [2]. Com a tcnica de amplificao da Classe D possvel

entregar centenas de watts carga utilizando pequenos e baratos dissipadores de calor para as

chaves. A Figura 7 ilustra o princpio de operao do amplificador Classe D.

Figura 7 Princpio de Operao do Amplificador Classe D

A Figura 8 mostra a curva de rendimento tpico em funo da potncia

normalizada para uma carga resistiva e sinal senoidal.


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Figura 8 Rendimento do Amplificador Classe D

A amplificao feita atravs da comutao dos transistores; o sinal de

entrada (udio) comparado uma portadora (onda triangular) com freqncia muitas vezes

superior do udio, que teoricamente 20kHz. Este o princpio da modulao PWM.

A Figura 9 mostra, simplificadamente, o diagrama de blocos de um

amplificador Classe D.

Figura 9 Diagrama de Blocos de um Amplificador Classe D.

Na Figura 9 mostrado, alm do amplificador, um Modulador e

Demodulador. Estes dois ltimos so os responsveis por fazer a interface do sinal analgico

e discreto. O modulador codifica o sinal analgico, a ser amplificado, em um sinal de controle


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23

a ser chaveado. O demodulador faz o processo contrrio, ou seja, reverte o sinal codificado

(discreto) em analgico j amplificado.

A topologia de amplificadores chaveados apresenta a desvantagem de

possuir maior distoro em relao s Classes A e B, porm com elevada eficincia.

Basicamente h duas topologias usuais de amplificadores classe D: half-

bridge -meia ponte efull-bridge -ponte completa. Estes apresentam suas vantagens, como por

exemplo o meia ponte mais simples do que o ponte completa, porm se no for corretamente

projetado pode ocorrer o fenmeno de bus pumping, em que a corrente da fonte de

alimentao pode levar ao incremento de sua tenso, produzindo situaes perigosas prpria

fonte, ao amplificador e aos alto-falantes [11]. Para uma mesma potncia, a topologia ponte

completa possui em seu estgio de sada a metade da tenso fornecida, porm mais

complexa. As figuras 10 e 11 ilustram, conceitualmente, estas topologias.

Figura 10 Amplificador Classe D Meia Ponte [11]

Figura 11 Amplificador Classe D Ponte Completa


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24

A tcnica de modulao PWM no a nica utilizada nos amplificadores

classe D. H tambm outras, tais como auto-oscilantes e modulao sigma delta [11],

modulao por densidade de pulso [12], etc.

Atualmente, os amplificadores classe D vem sendo estudados para

aplicaes em aparelhos auditivos, onde o consumo de baterias um fator importante, pois

necessrio que as mesmas tenham considervel vida til [12].

2.6.PARMETROS TCNICOS DEAMPLIFICADORES DEUDIO

Os parmetros tcnicos compreendem aqueles que independem de quem

est avaliando, sendo portanto objetivos. So dependentes unicamente de equipamentos e

parmetros pr-determinados que expressam numericamente, a potncia, a resposta em

freqncia, distoro, entre outros [7].

2.6.1.POTNCIARMS

A potncia RMS a potncia til que o amplificador capaz de fornecer.

Normalmente os amplificadores comerciais so especificados para a potncia mxima obtida

na melhor condio de funcionamento possvel. Por definio, a potncia RMS a velocidade

com que a energia dissipada, ou seja, a velocidade com que a energia convertida em som.

Para uma carga puramente resistiva, a potncia de sada do amplificador

( LP ) pode ser calculada por:

L

OUTL R

VP

2

= (1)

sendo:

LR - resistncia de carga (alto-falante) e


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25

OUTV - tenso eficaz de sada do amplificador (sobre a carga).

2.6.2.RESPOSTA EMFREQNCIA

Um amplificador de udio tem sua potncia especificada para uma nica

freqncia, porm este deve ter o mesmo comportamento para todo espectro audvel, ou seja,

20Hz a 20kHz; reproduzindo assim os graves, mdios e agudos com as mesmas caractersticas

de Magnitude e Fase.

2.6.2.1.MAGNITUDE OU GANHO

A magnitude a relao entre duas grandezas, como por exemplo a tenso

do sinal de sada pela do sinal de entrada, ento:

O

IV V

VG = (2)

sendo:

VG - ganho de tenso;

IV - tenso de entrada e

OV - tenso de sada.

Com a funo de transferncia do amplificador ou atravs da medio

ponto-a-ponto da magnitude para cada freqncia, possvel plotar numa escala mono-log a

Resposta em Freqncia da Magnitude, conforme ilustrado na Figura 12. Para isso

necessrio fazer a converso de escala do ganho. Caso esteja trabalhando com ganho de

tenso, o mesmo deve ser expresso em dB por:

VdBV GG log20)( = (3)


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26

sendo:

)(dBVG - ganho de tenso em dB

Figura 12 Resposta em Freqncia da Magnitude (dB)

2.6.2.2.FASE

Assim como possvel traar a resposta em freqncia para a magnitude,

pode-se fazer com a fase. Para cada freqncia contida no espectro do udio a fase do sinal de

sada relacionada fase do sinal de entrada. O resultado plotado em uma escala mono-log,

resultando assim aResposta em Freqncia da Fase, conforme ilustrado na Figura 13.

Para uma mesma freqncia, tem-se:

IOR = (4)

sendo:

O - fase de sada;

I - fase de entrada e

R - fase resultante.


29/118

27

Figura 13 Resposta em Freqncia da Fase

2.6.3.DISTORO

Um amplificador de udio ideal faz somente a amplificao do sinal de

entrada, ou seja, dado um sinal de udio de baixa amplitude, tem-se na sada do amplificador

o mesmo sinal de udio, porm amplificado. Isso no ocorre nos amplificadores reais j que

os dispositivos eletrnicos utilizados no so totalmente lineares. O sinal de entrada ao sofrer

algum tipo de deformao resulta em uma amplificao com distoro, ou seja, o sinal de

sada no possui seu formato exatamente igual ao sinal de entrada. A distoro ocorre por

diversos fatores como a saturao, slew ratee crossover.

As duas principais formas de se avaliar a distoro so pela Distoro

Harmnica Total (DHT) e Distoro por Intermodulao (IMD) [7].

2.6.3.1.DISTOROHARMNICA TOTAL (DHT)

Um sinal peridico qualquer pode ser representado por um somatrio de

senides e cossenides (tons puros), atravs de uma Srie de Fourier. As parcelas da srie so

conhecidas como harmnicas, sendo sinais distintos com freqncias mltiplas inteiras deuma dada freqncia, a fundamental.


30/118

28

Quando um sinal puro (fundamental) sofre distoro, h o surgimento de

harmnicas, cujas amplitudes e multiplicidade da freqncia da fundamental dependem das

qualidades da distoro, assim:

F

H

e

eDHT= (5)

sendo:

DHT Distoro Harmnica Total

He - valor eficaz total dos harmnicos

Fe - valor eficaz da fundamental.

A DHT normalmente expressa em % ou dB:

100*% DHTDHT = (6)

ou

DHTDHTdB log20= (7)

2.6.3.2.DISTORO PORINTERMODULAO

Quando dois sinais de freqncias distintas so aplicados, simultaneamente,

a um amplificador no linear ocorre a modulao, que o surgimento de dois novos sinais

com freqncias iguais soma e diferena dos das freqncias dos sinais de entrada. Por

exemplo, se for aplicado a um amplificador um sinal de 2kHz e outro de 6kHz, ter-se- na

sada, alm dos sinais amplificados de 2kHz e 6kHz, mais dois sinais: um de 4kHz (6kHz

2kHz) e outro de 8kHz (6kHz + 2kHz).

Para se analisar a Distoro por Intermodulao procede-se da mesma forma

do que com a DHT, porm aplicando-se dois sinais com freqncias distintas. A SMPTE

(Society of Motion Picture and Television Engineers) adota o mtodo de injetar um sinal de

60Hz juntamente com outro de 7kHz, na proporo de 4 para 1, medindo-se ento a

intermodulao no sinal de 7kHz.

2.6.4.RELAO SINAL/RUDO OU SIGNAL/NOISE (S/N)


31/118

29

A relao Sinal/Rudo, ou em ingls Signal/Noise, um parmetro que

mostra imunidade do amplificador ao rudo, sendo este no desejvel em um amplificador.

A relao S/N por definio:

Noise

Signal

N

S= (8)

Observa-se na expresso acima, que quanto maior a relao S/N, melhor

o amplificador, j que o sinal maior do que o rudo; de forma anloga, quanto menor for arelao S/N, pior o amplificador j que o rudo maior.

A relao S/N expressa em dB. Se SeNforem dados em Volts, tem-se:

=N

Sdb

N

Slog20)( (9)

Se SeNforem dados em Watts:

=N

SdB

N

Slog10)( (10)

Em amplificadores comerciais comum encontrar a relao S/N

estabelecida para a mxima potncia, o que mascara, para melhor, a caracterstica doamplificador. Assim para efeitos de comparao de amplificadores, a relao S/N deve ser

observada para uma mesma potncia de referncia.

2.6.5.SENSIBILIDADE


32/118

30

O parmetro sensibilidade informa qual tenso de entrada faz com que o

amplificador desenvolva a potncia nominal.

Um amplificador dito mais sensvel aquele que necessita de uma menor

tenso de entrada para desenvolver a potncia nominal. A comparao de sensibilidade deve

ser feita para amplificadores de mesma potncia.

A sensibilidade pode ser expressa em dBu ou dBV:

= V

S

S

V

dBu 755,0log20 (11)

=

V

SS VdBV 0,1

(12)

sendo:

VS - sensibilidade em RMSV ;

dBuS - sensibilidade em dBu e

dBVS - sensibilidade em dBV.

2.7.CONCLUSO

As diversas topologias de amplificadores de udio revelam um

compromisso entre rendimento e qualidade do som amplificado (distoro). Aqueles que

possuem alto rendimento refletem em maiores distores, assim como aqueles que possuem

menores distores tambm possuem menores rendimentos. O uso de topologias hbridas, que

misturam caractersticas de mais de uma topologia aparece como uma possvel soluo.

O parmetro distoro no o nico que deve ser considerado na avaliao

de um amplificador de udio. H outros parmetros tcnicos relevantes como a resposta emfreqncia, sensibilidade, imunidade ao rudo, entre outros.


33/118

31


34/118

32

3.TOPOLOGIA PROPOSTA E ANLISE TERICA

3.8.INTRODUO

Este captulo ir fazer uma breve introduo ao conversor push-pull,

trazendo todo o equacionamento essencial de projeto. Abordar tambm conceitos bsicos de

inversores, como tcnicas de modulao e filtro de sada.

A topologia do inversor/amplificador proposto ser apresentada, assimcomo todas as etapas de funcionamento sero desenvolvidas passo-a-passo.

3.9.OCONVERSORPUSH-PULL

A topologia push-pull convencional consiste em um transformador comduas bobinas no primrio e duas bobinas no secundrio. Cada bobina conectada em srie

com uma chave controlada, atuando de forma complementar (respeitando o tempo morto entre

o acionamento destas) dentro de um ciclo de comutao. A transferncia de energia ocorre de

forma anloga ao conversor buck [3]. A Figura 14 ilustra, simplificadamente, o conversor

Push-Pull.

Figura 14 Conversor Push-Pull


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33

3.9.1.ETAPAS DE OPERAO EFORMAS DE ONDA

A anlise qualitativa de operao do conversor ser realizada para o modo

de conduo contnua (MCC). Para esta anlise ser considerado que:

- o conversor opera em regime permanente;

- todos os componentes ativos e passivos so ideais;

- a freqncia de chaveamento constante e a modulao PWM;

- os enrolamentos so iguais e acoplamento unitrio.

Etapa 1

A Figura 15 ilustra a Etapa 1 de funcionamento do conversor. Quando T1

satura, T2 fica no corte. A tenso em T2 neste momento Vi2 devido fase dos

enrolamentos do primrio e o nmero de espiras serem iguais. A tenso Vi colocada em um

dos enrolamentos do primrio. induzida ento uma tenso no secundrio ( 'Vi ) pela relao

21 NN . Este pulso de tenso retificado por D1, aparece no indutor a tenso 'Vi . D2

encontra-se bloqueado devido polaridade da tenso no secundrio do transformador.

Figura 15 - Etapa 1 de funcionamento do conversor push-pull

Etapa 2


36/118

34

T1 corta e T2 permanece cortado. Ocorre ento o tempo morto. D1 e D2

conduzem, colocando os secundrios em curto-circuito. Neste momento a tenso sobre os

transistores Vi . A Figura 16 ilustra a etapa 2.

Figura 16 Etapa 2 de funcionamento do conversor push-pull

Etapa 3

Terminado o tempo morto T2 satura e T1 permanece cortado. A tenso em

T1 neste momento Vi2 devido fase dos enrolamentos do primrio e o nmero de espiras

serem iguais. A tenso Vi colocada em um dos enrolamentos do primrio. induzida ento,

uma tenso no secundrio ( 'Vi ) pela relao 21 NN com polaridade contrria induzida na

Etapa 1, devido ao sentido contrrio dos enromalmentos. Este pulso de tenso retificado por

D2, que conduz dando caminho corrente do indutor ( LI ). D1 encontra-se bloqueado devido

polaridade da tenso no secundrio do transformador. A Figura 17 ilustra a Etapa 3 de

funcionamento do conversor.


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35

Figura 17 - Etapa 3 de funcionamento do conversor push-pull

Etapa 4

Ocorre novamente o tempo morto, como a Etapa 2, fechando o ciclo.

A Figura 18 traz as formas de onda associadas ao conversorpush-pull.

Figura 18 Principais Formas de Onda do Conversor push-pull


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36

A tenso de sada do conversor ser a tenso mdia no ponto A, dada por

[3]:

DCEsat

OUT VN

VViDV

=

)(2 (13)

Sendo:

D razo cclica;

Vi tenso de entrada;

CEsatV queda de tenso no transistor;

N razo de transformao e

DV queda de tenso do diodo.

Considerando as chaves idias ( DV e CEsatV iguais a zero) a tenso de sada

pode ser obtida por:

N

DViVOUT

2 (14)

Para evitar a conduo simultnea das chaves, normalmente adota-se a

razo cclica mxima (MX

D ) menor do que 0,5.

Cabe observar que a freqncia dos pulsos em A o dobro da freqncia

das chaves e conseqentemente o dobro da freqncia do transformador.

3.9.2.OTRANSFORMADOR

No conversorpush-pullo transformador magnetizado durante o tempo de

conduo ( ont ) de um dos transistores e quando o outro conduz, uma corrente de

desmagnetizao flui por ele at chegar a zero e em seguida o transformador magnetizado

novamente. Desta maneira h excurso no primeiro e terceiro quadrante da curva B-H,

conforme mostra a Figura 19.


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37

Figura 19 A-) Excurso no primeiro e terceiro quadrante da Curva B-H; B-) Corrente de

magnetizao no transformador e C-) Tenso sobre uma das chaves.

A Figura 19B ilustra a curva de magnetizao e desmagnetizao do

transformador, considerando que no h corrente de coletor, ou seja, sem nenhuma carga na

sada. A corrente em T2 foi representada com polaridade positiva para visualizar adesmagnetizao do ciclo anterior.

Como o campo magntico excursiona nos dois quadrantes, obtm-se um

melhor aproveitamento do volume efetivo do ncleo. Assim, para o fator de utilizao (Ku)

igual a 0,2 devido ao enrolamento duplo, o produto das reas (Ap) pode ser obtido por [3]:

z

s

s

fBKj

PAp

=

..

10..98,3 4 (15)

sendo:

Ps Potncia de sada (VA);

Kj coeficiente de densidade de corrente nos fios;

B densidade de fluxo (Tesla);

fs freqncia de chaveamento e


40/118

38

z )1/(1 x sendo x fator tabelado que depende, entre outros, do tipo do

ncleo (Anexo A).

O nmero mnimo de espiras do enrolamento do primrio ( min1N ) pode ser

obtido por:

fBAe

DmxViN

..

.1min = (16)

sendo:

Vi tenso de entrada;

Dmx razo cclica mxima;

Ae rea efetiva do ncleo (m2);

f freqncia no enrolamento e

B densidade de fluxo (Tesla).

A rea do cobre ( CUA ) pode ser calculada por:

J

IefACU= (17)

sendo:

Ief corrente eficaz (A) e

J densidade de corrente (A/m2).

A densidade de corrente nos fios (J) pode ser calculada por:

xApKjJ = . (18)

O nmero de espiras do enrolamento de secundrio (N2) pode obtido por:


41/118

39

NNN .12= (19)

SendoNa relao de transformao.

3.9.3.OS TRANSISTORES

Quando uma das chaves est conduzindo a tenso na chave que est aberta

2Vi, devido polaridade dos enrolamentos do primrio e o nmero de espiras dos mesmos

serem iguais. Ento a tenso mxima sobre o transistor quando este est aberto :

iCEmx VV 2= (20)

A corrente de pico em cada coletor ( CI ) :

magLC IN

II += (21)

sendo:

LI corrente de sada;

N relao de transformao do transformador e

magI corrente de magnetizao do ncleo.

A corrente de pico em cada coletor pode ser calculada em funo da

potncia de sada [4], sendo necessrio equacionar a energia transferida pelo transformador. A

energia (E) armazenada no indutor de primrio :

2

2

1PpILE= (22)

sendo:

E energia armazenada;


42/118

40

PL indutncia do enrolamento de primrio e

PI corrente de pico do primrio.

A potncia, por definio, a frao da energia (E) pelo intervalo de tempo

( t ) considerado, assim:

t

EP

= (23)

A potncia que cada primrio transfere a metade da total, logo

substituindo (22) em (23) para cada primrio:

t

ILP PPin

=22

2

(24)

Sendo o intervalo de tempo )( t , o perodo (T) e considerando o

rendimento do sistema (), a potncia de sada ( outP ) pode ser escrita por:

=

T

ILP PPout

2

(25)

Para relacionar a corrente do primrio, que a mesma de cada chave, com a

tenso de entrada e potncia de sada, deve-se recorrer a equao que rege a tenso em um

indutor, ou seja, dt

diLV= . Sendo a tenso aplicada, V, e o indutor a indutncia do

enrolamento de primrio, PL , ento:

dt

diLVi P= (26)

Durante a operao contnua do conversor, Vi aplicada ao indutor durante

ont , ou seja, durante TDmx . Neste intervalo de tempo, a corrente atinge seu mximo, ou seja,

PI . Substituindo, em (26), dtpor TDmx e di por PI tem-se:


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41

TD

ILVi

mx

PP= (27)

Substituindo Tporf

1e isolando PL :

fI

DVL

P

mxinP = (28)

Substituindo (28) em (25) tem-se ento:

PmxinP

Pmxinout IDVfTI

IDVP =

=

2

(29)

Isolando PI :

mxin

outP DV

PI

= (30)

Considerando magP II >> , ento, a corrente de pico que o transistor conduz

a corrente de pico do primrio, PC II = , assim:

mxin

OUTC DVPI = (31)

3.10.INVERSORES


44/118


45/118

43

Na modulao por Largura de Pulso Senoidal, do ingls Sinusoidal Pulse-

Width Modulation (SPWM), o estado ligadoe desligadodas chaves possuem variao de seus

perodos, sendo que quanto maior o nvel de tenso desejado mais longo o perodo de

conduo (largura do pulso).

Os pulsos SPWM podem ser obtidos quando uma onda senoidal de

referncia for comparada uma portadora de alta freqncia. A onda de referncia, )(tvR ,

uma senoide com amplitude mV e freqncia mf que deve ser a freqncia desejada na sada

do inversor. A tenso )(tvC uma onda portadora triangular de alta freqncia Cf e

amplitude CV , conforme mostrado na Figura 20 [6].

Figura 20 Ondas utilizadas na gerao SPWM

Quando o sinal de referncia comparado portadora, obtm-se os pontos

de chaveamento, na interseo destes sinais. A largura do pulso determinada pelo tempo em

que )()( tvtv RC < no semiciclo positivo e )()( tvtv RC > no semiciclo negativo do sinal de

referncia, conforme pode ser visto na Figura 21.

A tenso de sada regulada por dois parmetros: ndice de modulao (M)

e relao de freqncia mC ff / .O ndice de modulao, M, determinado pela relao Cm VV / , sendo

01 M . Este parmetro regula a largura dos pulsos. Comumente a portadora possui

amplitude fixa, sendo variada a amplitude da onda de referncia. A tenso de sada tem seu

mximo quando M = 1.

A relao de freqncia mC ff / determina o nmero de pulsos em cada

semiciclo da tenso de sada do inversor.


46/118


47/118

45

Figura 22 Filtro LC Passa Baixa

A funo de transferncia do filtro LC :

1

1)()(

2 ++

==

O

fff

in

O

R

LjCL

jV

VjH

(32)

A freqncia angular natural de oscilao, O , do filtro LC pode ser

calculada por:

ff

OCL

1= (33)

Como OO f.2= , a freqncia de corte, Of ento :

ff

OCL

f.2

1

= (34)

O fator de amortecimento, , pode ser calculado por:

f

f

O C

L

R2

1= (35)

Para o projeto adequado do filtro LC, a freqncia de ressonncia O deveser fixada abaixo da harmnica de ordem mais baixa que se deseja atenuar, conforme descrito


48/118

46

em 3.5.1. J o fator de amortecimento deve ser escolhido de modo que as oscilaes no

sejam elevadas na freqncia de ressonncia.

As Figuras 23 e 24 trazem o Diagrama de Bode de um filtro LC.

Figura 23 Diagrama de Bode do filtro LC (magnitude) para carga resistiva

Figura 24 Diagrama de Bode do filtro LC (fase) para carga resistiva

Um projeto adequado do filtro de sada deve levar em considerao duas

caractersticas importantes: a regulagem de tenso da fundamental e o valor de corrente da


49/118

47

fundamental do inversor. Indutores grandes e capacitores pequenos permitem alta regulao

da tenso da fundamental e a corrente no inversor ligeiramente superior da carga. J

indutores pequenos e capacitores grandes ocorre baixa regulao da tenso da fundamental

com aumento da corrente do inversor.

Os seguintes passos devem ser adotados para um bom projeto de filtro LC

(considerando carga resistiva pura) [5]:

- Adota-se um valor entre 0,707 e 1 para o fator de amortecimento.

- Faz-se a freqncia de corte, Of , uma dcada abaixo da freqncia de

chaveamento, Sf .

Assim, pela equao (35) tem-se:

fOf CRL224 = (36)

Substituindo (36) em (34), obtm-se:

OO

f RfC

...4

1

= (37)

3.12.1.DIMENSIONAMENTO DO INDUTOR DE FILTRO (LF)

O dimensionamento do indutor de filtro deve seguir alguns passos de forma

que o mesmo possua a indutncia desejada e seja capaz de operar sem que haja saturao.Uma vez conhecida a indutncia e a corrente de pico no filtro, o

equacionamento do projeto de indutores com ncleo de ferrite pode ser feito como segue [3]:

1 Calcula-se a Energia no indutor (E);

2 Calcula-se o Produto de reas (Ap) Definio das dimenses do

ncleo;

3 Calcula-se o Fator de Indutncia requerido (Al);

4

Determina-se o entreferro;5 Calcula-se o nmero de espiras e


50/118

48

6 Determina-se a bitola do fio a ser utilizado.

1- Energia do indutor

A energia armazenada no indutor pode ser calculada por:

2

2

1picofILE= (38)

sendo picoI a corrente de pico no indutor.

2- Definio do ncelo

O produto de reas pode ser obtido por:

z

mxBKjKu

EAp

=

..

102 4 (39)

sendo:

Ku fator de utilizao do ncleo (sendo adotado 0,4 para um nico

enrolamento);

Kj coeficiente de densidade de corrente nos fios;

mxB densidade de fluxo (Tesla);

z )1/(1 x sendo x fator tabelado que depende entre outros do tipo do

ncleo (Anexo A).

O coeficiente de densidade de corrente (Kj) depende da variao de

temperatura permissvel do indutor. Para ncleos EE, Kj obtido por (Anexo A):

54,0.35,63 = TKj (40)


51/118

49

sendo T a variao de temperatura permissvel do indutor.

Por (39) possvel escolher o ncleo que possua Ap igual ou maior ao

calculado (Anexo B), definindo-se assim as dimenses do ncleo e caractersticas importantes

para o clculo que segue, como por exemploAe(rea efetiva) e le(comprimento efetivo).

3- Fator de Indutncia requerido

O fator de indutncia (Al) pode ser obtido por:

E

BAeAl mx

2

. 22= (41)

sendo:

Ae rea efetiva (m2).

mxB densidade de fluxo (Tesla);

E energia armazenada no indutor (Joule).

4- Clculo do entreferro

O comprimento do entreferro (lg) pode ser calculado por:

e

le

=lg (42)

sendo le o comprimento efetivo (Anexo B) e e a permeabilidade do

entreferro, determinado por:

AeleAle

..

0 = (43)


52/118

50

sendo:

Al fator de indutncia (nH/esp2);

le comprimento efetivo (m);

0 permeabilidade do vcuo ( mH/1047 ) e

Ae rea efetiva (m2).

5 Nmero de Espiras

A determinao do nmero de espiras pode ser feita por:

Al

LN= (44)

6 Bitola do Fio

A determinao do fio a ser utilizado no indutor feita atravs da rea do

cobre requerida ( cuA ), que uma vez determinada orienta a bitola a ser utilizada (Anexo C).

J

IA efcu = (45)

sendo:

efI corrente eficaz (A) e

J densidade de corrente (A/cm2).

A densidade de corrente (J) pode ser determinada por

12,0. = ApKjJ (46)


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51

3.13.TOPOLOGIAINVERSORAPROPOSTA

A topologia proposta princpio um inversor de tenso que devido suas

caractersticas, mostradas a seguir, utilizado como amplificador de udio chaveado (classe

D). O mesmo constitudo de dois conversores push-pullem paralelo, sendo um responsvel

pelo chaveamento do semi-ciclo positivo e o outro pelo semi-ciclo negativo. Para garantir o

correto acoplamento dos conversores mantendo o sentido convencionado de corrente e tenso

sobre a carga, faz-se necessrio o uso de chaves bidirecionais, como ser analisado. A Figura

25, ilustra a topologia proposta.

Figura 25 Topologia proposta

Esta topologia apresenta como vantagem a possibilidade de utilizar chaves

MOSFET em altas freqncias, uma vez que a freqncia de chaveamento dividida entre os

dois conversorespush-pull, conforme discutido a seguir. Outra vantagem a maior rea para

troca de calor, devido ao transformador, resultando assim em menores correntes dos

enrolamentos. Ainda, pode-se atribuir como vantagem a simplicidade do circuito de controle.


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52

Como desvantagem pode-se considerar o maior nmero de componentes e um transformador

maior.

3.13.1.PRINCPIO DEFUNCIONAMENTO

Uma onda de referncia (senoidal de 60Hz quando o circuito funcionando

como inversor de tenso e sinal de udio quando funcionando como amplificador de udio)

retificada e ento comparada com uma onda triangular. O resultado desta comparao so

pulsos cuja largura variam com a amplitude do sinal de entrada. Estes pulsos so ento

divididos para acionar as quatro chaves do inversor. Os pulsos so divididos entre o

chaveamento no semiciclo positivo (SW1, SW2) e no negativo (SW3 e SW4). Assim, a

anlise pode ser dividida em duas partes: conduo positiva e conduo negativa.

Para a anlise do circuito, sero considerados os seguintes parmetros:

. Transformador ideal (acoplamento entre LP1, LP2, LP3, LP4, LS1 e LS2

ideais);

. Chaves ideais;

. Fonte de tenso estabilizada.

1 Parte:Transferncia de energia no semi-ciclo positivo

As chaves SW1, SW2, SWB1 e SWB2 so controladas para a transfernciade energia.

Passo 1: A chave SW1 conduz. induzida tenso nos enrolamentos dos

secundrios do transformador. Para garantir o sentido da corrente e tenso convencionado

sobre a carga, SWB1 conduz dando caminho corrente. As outras chaves permanecem

abertas, conforme mostrado na Figura 26.


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53

Figura 26 Passo 1

Passo 2:Compreende ao tempo morto entre a conduo das chaves SW1 e

SW2. A chave SW1 deixa de conduzir, enquanto SWB1 permanece conduzindo e SWB2passa a conduzir. A corrente na carga entra em roda livre, fazendo com que a tenso nos

enrolamentos seja nula, conforme mostrado na Figura 27.

Figura 27 Passo 2


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54

Passo 3:A chave SW2 conduz. induzida uma tenso nos enrolamentos

dos secundrios do transformador com polaridade contrria que foi induzida no passo

anterior, ento para garantir o sentido da tenso e corrente convencionados sobre a carga,

SWB1 deixa de conduzir, e SWB2 conduz. As demais chaves permanecem abertas, conforme

mostrado na Figura 28.

Figura 28 Passo 3

Passo 4:Compreende ao tempo morto entre as chaves SW2 e SW1. A chave

SW2 deixa de conduzir enquanto SWB1 e SWB2 conduzem. A corrente na carga entra em

roda livre, fazendo com que a tenso nos enrolamentos seja nula, conforme mostrado na

Figura 29.


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55

Figura 29 Passo 4

Considerando uma carga indutiva, enquanto a corrente sobre ela for

negativa e o chaveamente for feito pelas chaves SW1 e SW2 , o fluxo de energia ser da carga

para a fonte. Quando a corrente sobre a carga passar por zero, o fluxo de energia passar a ser

no sentido da fonte para a carga. Assim, os passos anteriores se repetem at que a corrente

sobre a carga seja mxima , ou seja, quando o semiciclo positivo chega ao fim.

2 Parte:Transferncia de energia no semi-ciclo negativo conversor B.

As chaves SW3, SW4, SWB1 e SWB2 so controladas para transferirenergia carga.

Passo 5: A chave SW3 conduz. induzida tenso nos enrolamentos dos

secundrios do transformador. Para garantir o sentido da corrente e tenso convencionado

sobre a carga, SWB2 conduz dando caminha corrente. As outras chaves permanecem

abertas, conforme mostrado na Figura 30.


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56

Figura 30 Passo 5

Passo 6:Compreende ao tempo morto entre as chaves SW3 e SW4. A chave



Figura 31.

Figura 31 Passo 6


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57

Passo 7:A chave SW4 conduz. induzida uma tenso nos enrolamentos

dos secundrios do transformador com polaridade contrria que foi induzida no passo

anterior, ento para garantir o sentido da tenso e corrente convencionados sobre a carga,

SWB2 deixa de conduzir, enquanto SWB1 conduz. As demais chaves permanecem abertas,

conforme mostrado na Figura 32.

Figura 32 Passo 7

Passo 8: Compreende ao tempo morto entre as chaves SW4 e SW3. A chave



Figura 33.


60/118

58

Figura 33 Passo 8

Considerando uma carga indutiva, enquanto a corrente sobre ela for positiva

e o chaveamente for feito pelas chaves SW3 e SW4 , o fluxo de energia ser da carga para a

fonte. Quando a corrente sobre a carga passar por zero, o fluxo de energia passar a ser no

sentido da fonte para a carga. Assim, os passos anteriores se repetem at que a corrente sobre

a carga seja mnima , ou seja, quando o semiciclo negativo chega ao fim.

Diante do exposto obtm-se as formas de onda de chaveamento, mostradas

na Figura 34.

Figura 34 Formas de onda de chaveamento


61/118

59

3.13.2.CHAVES BIDIRECIONAIS

A topologia proposta faz com que sejam inseridas chaves bidirecionais na

sada dos conversores de forma que o correto funcionamento seja garantido, como

demostrando no princpio de funcionamento.

Quando as chaves (transistores e diodos da chave bidirecional) conduzem, a

corrente sobre elas a mesma da carga. Assim, o pior caso ocorre quando a carga do tipo

no linear, como um retificador (no caso da topologia operando como inversor de tenso). O

dimensionamento destas chaves deve ser ento para o pior caso. Assim, nestas condies a

corrente de pico nas chaves obtida por:

+=

R

PLDmx V

VIi

.221 (47)

sendo:

Dmxi - corrente de pico no diodo;

LI - corrente RMS na carga;

PV - a tenso de pico de sada e

VR - tenso de ripple.

A tenso deripplepode ser obtida por

RCfVV PR ...2

1= (48)

sendo:

f freqncia da rede;

C capacitor de filtro;R resistor de carga.


62/118

60

A tenso mxima sobre as chaves ocorre quando estas abrem. Neste

momento a tenso duas vezes a tenso de sada, devido ao sentido dos enrolamentos:

0*2 VV MxCE = (49)

3.14.CONCLUSO

Utilizando dois conversores push-pull adequadamente conectados em

paralelo possvel desenvolver uma topologia inversora de tenso. Este inversor pode ser

usado em um no-break por exemplo, como tambm pode ser um amplificador de udio,

substituindo o sinal de referncia senoidal pelo sinal de udio a ser amplificado.

A topologia proposta apresenta vantagens em relao s topologias

convencionais pois, pode-se utilizar chaves MOSFET em altas freqncias, h uma maior

rea para troca de calor o que resulta em menores correntes dos enrolamentos. O princpio de

funcionamento sugere o uso de um circuito de controle em malha aberta de relativa

simplicidade de implementao.


63/118

61

4.PROCEDIMENTOS DE PROJETO

4.1.INTRODUO

Os procedimentos de projeto so divididos em duas partes: do inversor de

tenso e do amplificador de udio.

Para o inversor de tenso a potncia esperada de 800W RMS, com tenso

de entrada de 12V e tenso de sada 110VAC para carga de 28, freqncia de chaveamentode 20kHz e freqncia de corte de 1kHz (20 vezes menor do que a freqncia de chaveamento

e suficientemente maior do que a fundamental de 60Hz) .

Para o amplificador de udio a potncia esperada 560W RMS, com tenso

de entrada de 12V, tenso de sada 67V para carga de 8, , freqncia de chaveamento de

200kHz e freqncia de corte de 10kHz (20 vezes menor do que a freqncia de

chaveamento).

Estes valores de potncia foram definidos em funo dos recursos

disponveis em laboratrio.

4.2.PROJETO DOINVERSOR DE TENSO

Para garantir 110VAC ser adotada uma relao de transformao maior doque o pico (155V), de modo que se tenha uma margem para a modulao. A relao de

transformao ser 20 e a tenso de pico no secundrio atingir 240V.

A corrente RMS na carga resistiva pode ser dada por:

AV

PI

S

STOTAL

27,7110

8000 === (50)

A corrente RMS em cada secundrio ser:


64/118


65/118

63

4.2.1.AS CHAVES

As chaves do primrio (SW1, SW2, SW3 e SW4) tm de suportar o dobro

da tenso de entrada devido caracterstica do conversor push-pull, ou seja, VVDS 24 . A

corrente RMS do primrio, como j calculada em (52), de 33,36A; desta forma, as chaves

devem ser capazes de conduzir esta corrente, ou seja, AID 36,33 . Diante do exposto, foi

escolhido a chave IRFZ48N. A Tabela 01 traz as caractersticas mais importantes para esta

aplicao.

Tabela 01 Algumas caractersticas do transistor IRFZ48N

DSV 55V

DI 64A

)(ONDSR 16m

A fim de reduzir as perdas por conduo e comutao, devido ao efeito

pelicular, optou-se em associar 3 IRFZ48N em paralelo. Desta forma possvel reduzir a

)(onDSR de 16mpara 5,33m.

A excitao de Gate destas chaves feito pelo par BC327/BC337 conforme

mostra Figura 35.

Figura 35 Circuito excitador de Gate


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64

As chaves bidirecionais (SWB1 e SWB2) nos secundrios tm de suportar o

dobro da tenso de sada, ou seja, VVDS 480 . A corrente RMS do secundrio de cada

inversor, como j calculada em (51), de 3,64A; desta forma, as chaves devem ser capazes de

conduzir esta corrente, ou seja, AID 64,3 . A corrente de pico nestas chaves de 55,3A.

Diante do exposto, foi escolhido o transistor IRF840 e os diodos UF5404 . A Tabela 02 traz

as caractersticas mais importantes para esta aplicao.

Tabela 02 Algumas caractersticas do transistor IRF840 e UF5404

IRF840 UF5404

DSV 500V RRMV 400V

DI 8,5A F(AV)I 3A

)(ONDSR 0,6

0,85

FSMI 150A

Afim de reduzir as perdas por conduo e comutao, devido ao efeito

pelicular e tambm para satisfazer a corrente mdia de 3,64A, optou-se em associar 2 UF5404

em paralelo, pois como mostrado na Tabela 02, a corrente direta destes diodos de 3A.

4.2.2.CIRCUITO DEDRIVER

Como os transistores das chaves bidirecionais possuem o Source em

potenciais diferentes, faz-se uso de um circuito de excitao, o driver.

Foi desenvolvido o circuito de driver com o uso do opto-acoplador ultra

rpido 6N137. A Figura 36 mostra este circuito.


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65

Figura 36 Circuito de Driver implementado

Como a sada do 6N137 de no mximo 5V e a excitao plena de Gatedo

IRF840 garantida para VVGS 10 fez-se necessrio adequar as tenses. Esta adequao

obtida por meio dos diodos zener DZ1, DZ2 e do inversor lgico CD4049. DZ1 possui tenso

zener de 3,1V, e DZ2 de 6,8V, desta forma a tenso no pino 6 (referenciado ao terra) varia de

3,1V 9,9V. Como o pino 6 (sada do optoacoplador) conectado entrada das portas

inversoras (CD4049), tem-se na sada destas pulsos que variam entre 0V e Vcc (15V). A

excitao dos transistores de chaveamento feita ento pelo par BC327/BC337. Para garantir

que as chaves do secundrio sejam desligadas quando necessrio, aplicado -3,6V no Gate

por meio do circuito formado por DZ4, D1 e C1, assim quando h tenso sendo aplicada

(pulso), C carrega-se com a tenso do zener DZ4, ou seja, 3,6V. Quando no h tenso

(ausncia do pulso), o diodo D1 bloqueia e a tenso sobre o capacitor colocada no Source

( VVS 6,3= ) e VVG 0= , assim a tenso VVGS 6,3= .

Como a excitao dos transistores das chaves bidirecionais no feita na

referncia da fonte (terra da bateria), necessrio que os circuitos de drivers possuam

alimentaes isoladas; ainda, ambas as chaves esto em potenciais distintos entre si, logo os

circuitos de driverdevem possuir fontes de alimentao distintas.

As fontes auxiliares foram desenvolvidas para baixas correntes e tenso de

sada de 15V. O princpio de funcionamento baseia-se na retificao de pulsos, assim foi

utilizado o TC4538 para gerar pulsos de pequena largura e com a mesma freqncia de

operao do controle (freqncia de chaveamento). Pulsos bases so gerados na comparao

da onda triangular (gerada para o circuito PWM) e tenso de referncia de 6V. Estes pulsos


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66

ento so aplicados ao TC4538, tendo na sada pulsos de pequena largura, definida por Rx

(conectado ao pino 2 e alimentao) e Cx (conectado aos pinos 1 e 2), pela

equao XXW RCt .= , sendo Wt a largura de pulso em segundos. A Figura 35 ilustra parte do

TC4538.

Figura 37 O TC4538

O pulso base aplicado nos pino 4 (A) ou 5 (B), sendo que quando aplicado

em A, as sadas (pinos 6 e 7, Q e Q respectivamente) tornam-se sensveis borda de subida

(B deve estar no nvel alto) e quando aplicado em B, as sadas tornam-se sensveis borda de

descida (A deve estar no nvel baixo). O pino (3) CD habilita as sadas quando em nvel alto,

assim B foi conectado em 6V, CD em -6V e A os pulsos bases; a sada utilizada foi Q.Os pulsos provenientes do TC4538 so aplicados no enrolamento primrio

por meio dos transistores (vide Figua 38). Cada secundrio possui seus pulsos retificados e

filtrados, obtendo assim uma tenso DC de aproximadamente 18V (devido relao de

transformao, sendo que o primrio possui 20 voltas e os secundrios 30 voltas cada). Um

diodozenerde 15V utilizado ento para garantir tenso de alimentao fixa (opcionalmente

este foi colocado junto placa do driver). A Figura 38 ilustra este circuito.


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67

Figura 38 Fontes Auxiliares para Alimentao dos Drivres

4.2.3.CIRCUITO SNUBBER

Os snubbers so utilizados para amortecer as oscilaes de alta freqncia

geradas durante a comutao dos semicondutores de potncia, devido s suas indutncias

parasitas e capacitncias intrnsecas. Os snubber tambm so utilizados para evitar picos

elevados de tenso nos semicondutores, protegendo-os para que no sejam danificados.

Por ser um circuito de baixa potncia, este no adiciona grande custo ao

projeto enquanto lhe confere mais qualidade.

Os circuitos snubbers implementados tanto para as chaves do primrio

quanto as do secundrio so do tipo dissipativos. A Figura 39 ilustra este tipo de snubber.

Figura 39 Circuito Snubber


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68

4.2.3.1.SNUBBER DAS CHAVES DOS PRIMRIOS

A potncia dissipada no snubber adotada como referncia de 1W. A tenso

mxima no resistor o dobro da tenso de entrada, ou seja, 24V. Desta forma possvel

calcular o resistor pela equao de potncia:

P

VR

2

= (53)

sendo V a tenso sobre o resistor e P a potncia dissipada por este.

Substituindo V e P, tem-se:

== 5761

242R

Foi ento adotado um resistor maior, de 1,8K. Desta forma, a potnciadissipada no resistor snubber 320mW.

Para o capacitor deve-se dimensionar para uma queda de 90% de sua tenso,

assim:

=

=

0

1

1

01

ln.

.

C

C

tRC

CC

VVR

t

C

eVV

(54)

Sendo a freqncia de chaveamento 20kHz, t = 50s ento por substituindo

em (55):

nF

K

C 65,263

)9,0ln(.8,1

50=

=


71/118

69

Foi adotado ento C = 330nF.

O diodo utilizado o UF4004.

A energia dos snubbers dos primrios , em partes, aproveitada para

alimentar os circuitos de excitao das chaves (par BC327/BC337), para isso foi utilizado um

regulador de tenso de 15V, conforme mostrado na Figura 40.

Figura 40 Snubbers do primrio

4.2.3.2.SNUBBER DAS CHAVES DOS SECUNDRIOS

A potncia dissipada no snubber adotada de 1W. A tenso mxima no

resistor o dobro da tenso de sada, ou seja, 480V. Desta forma possvel calcular o resistor

pela equao de potncia (53), tem-se ento

== kR 2301

4802

Foi ento adotado um resistor de 330k. Desta forma a potncia dissipada

no resistor snubber 698mW.

O capacitor determinado por (54), ento sendo a freqncia de

chaveamento 20kHz, t = 50s:


72/118

70

nFK

C 44,1)9,0ln(.230

50=

=

Foi adotado C = 2.2nF


O clculo do transformador do conversorpush-pullpode ser feito conforme

2.2.2.

4.2.4.1.ESCOLHA DO NCLEO

O ncleo escolhido pelo produto das reas (Ap), considerando o fator de

utilizao do ncleo sendo 0,1 devido ao nmero de enrolamentos, pois conforme visto em

2.5.1, Ku 0,4 para enrolamento nico. J em ncleos para conversor push-pull prudente

adotar Ku = 0,2 (devido ao nmero de enrolamentos), ento como o ncleo desejado ir

possuir enrolamentos de dois conversorespush-pull, prudente fazer Ku = 0,1. Tem-se, por

(3):

z

fsBKj

PsAp

=

..

10..96,7 4 (55)

Adotando B = 0,3T , Ps = 800VA, admitindo ncleo EE e o acrscimo de

temperatura no indutor de 30C, z = 1,136 e Kj = 397 (Anexo B), ento:

4

136,17

79,4120000*3,0*397

10*368,6cmAp =

=


73/118

71

Considerando que o ncleo toroidal resulta, na prtica, em 50% a 60% do

volume do ncleo EE [9], ento, pode-se adotar ncleo toroidal com 425,074cmAp =

O ncleo toroidal escolhido, disponvel no laboratrio, possui Ap de

36,08cm4, Ae = 3,75cm2e Aj = 9,62cm2.

4.2.4.2.ENROLAMENTOS DEPRIMRIO

O nmero de espiras do primrio obtida por (16), sendo VVi 12= ,

5,0=Dmx , 275,3 cmAe= ,B = 0,3T ef= 20kHz, ento:

6,220000*3,0*10.75,3

5,0*121

4min ==

N

Foi adotado N1 = 3.

Para um acrscimo de temperatura de 30C (Kj obtido conforme Anexo),

tem-se por (6) :

-0,12Ap*397J=

Sendo Ap = 36,08cm4ento:

2/18,258 cmAJ=

Portanto, a rea do cobre ( CUA ) obtida por (17) :

20646,018,258

68,16

18,258

2/36,33cmACU ===


74/118

72

Consultando a tabela AWG (Anexo C), utilizando fios AWG 20

necessrio 13 destes em paralelo, foi ento utilizado 20 para reduzir perdas nos enrolamentos.

4.2.4.3.ENROLAMENTOS DE SECUNDRIO

Os enrolamentos de secundrios so obtidos pela relao de transformao,

que 20. Sendo o nmero de espiras do enrolamento de primrio igual a 3, o nmero de

espiras dos secundrios 60.

A densidade de corrente a mesma j calculada, 2/18,258 cmAJ= ,

portanto a rea do cobre ( CUA ) por (17):

20141,018,258

64,3cmACU ==



4.2.5.OFILTROLC

O capacitor de filtro calculado ento por (37), aqui transcrita:

OOf Rf

C...4

1

=

Para o clculo do filtro LC de sada do inversor, o fator de amortecimento

deve ser 1707,0 , como j mencionado em 3.5, foi adotado ento 9,0= . Para a

potncia de 800W, a carga = 280R e freqncia de corte 0f = 1kHz (vide incio do projeto),ento:


75/118

73

Fk

Cf

16,328.1.9,0.4

1==

indutor, fL , pode ser calculada por (36), aqui transcrita:

fOf CRL224 =

Ento, substituindo 9,0,280 == R e FCf 16,3= :

mHLf 816,39,0.28.422 ==

Assim FCf 16,3= e mHLf 8= .

Para o indutor de filtro, devido a grande quantidade de energia envolvida,

foi utilizado ncleo de ar com 100 espiras e posteriormente foi acrescentado bastes de

ferrite, chegando ao valor de indutncia necessria.

4.3.PROJETO DOAMPLIFICADOR DEPOTNCIA CLASSED

A escolha dos componentes do amplificador difere apenas no transformador

(devido aos diferentes nveis de tenso e corrente), nas chaves de secundrio e no filtro de

sada LC (devido mudana de carga e freqncia de chaveamento). Os demais componentes

mantm-se inalterados.

Sendo a potncia de sada projetada de 560W RMS, a tenso de alimentao

de 12V e a tenso de sada para esta potncia e carga de 8 de 67V eficaz. A relao de

transformao adotada 10 para compensar a perda da modulao, pois obtm-se nveis de

120V.

A corrente RMS na carga resistiva pode ser dada por (50):


76/118

74

AV

PI

S

S

TOTAL36,8

67

5600 ===

A corrente RMS no secundrio de cada inversor ser por (51):

AI

I TOTALBAS

18,42

0

,==

A corrente RMS no primrio de cada conversor ser por (52):

ANDIIBASP

34,2310*12067.18,4'*.

,===

sendo

D a razo cclica de converso.

4.3.1.AS CHAVES

O dimensionamento das chaves de primrio (SW1, SW2, SW3 e SW4) omesmo do mostrado em 4.2.1, sendo que a corrente conduzida por elas agora de 23,34A,

desta forma foi mantida a escolha das chaves IRFZ48N para o primrio.

As chaves bidirecionais (SWB1 e SWB2) nos secundrios tm de suportar o

dobro da tenso de sada, ou seja, VVDS 240 . A corrente RMS do secundrio de cada

inversor, como j calculada, de 4,184A; desta forma, as chaves devem ser capazes de

conduzir esta corrente, ou seja, AID 18,4 . Diante do exposto, foi mantida a escolha do

transistor IRF840. Os diodos das chaves bidirecionais adotados so do tipo HFA15TB60.


77/118

75

4.3.2.CIRCUITO SNUBBER

4.3.2.1.SNUBBER DAS CHAVES DOS PRIMRIOS

A potncia dissipada no snubber adotada como referncia de 1W. A tenso

mxima no resistor o dobro da tenso de entrada, ou seja, 24V. Desta forma o circuito

snubber o mesmo projetado em 4.2.3.1.

4.3.2.2.SNUBBER DAS CHAVES DOS SECUNDRIOS

A potncia dissipada no snubber adotada de 1W. A tenso mxima no

resistor o dobro da tenso de sada, ou seja, 240V. Desta forma possvel calcular o resistor

pela equao de potncia (53), tem-se ento:

== kR 6,571

2402

Foi ento adotado um resistor de 100k. Desta forma a potncia dissipada

no resistor snubber 576mW.

O capacitor determinado por (54), ento sendo a freqncia de

chaveamento 200kHz, t = 5s:

pFK

C 475)9,0ln(.100

5=

=

Foi adotado C = 470pF


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76


4.3.3.1.ESCOLHA DO NCLEO

Por (57) pode-se perceber que o produto de reas (Ap) requerido do ncleo

inversamente proporcional freqncia de chaveamento e diretamente proporcional

potncia. O amplificador possui potncia esperada (560W) menor do que a do inversor

(800W) e a freqncia de chaveamento do amplificador maior (200kHz) do que a do

inversor (20kHz), logo, pode-se concluir que o ncleo ser menor. Devido a disponibilidade

do laboratrio o ncleo escolhido foi o mesmo do inversor.

Assim, o ncleo toroidal escolhido, disponvel no laboratrio, possui Ap

igual a 36,08cm4, Ae = 3,75cm2e Aj = 9,62cm2.

4.3.3.2.ENROLAMENTOS DEPRIMRIO

O nmero de espiras do primrio obtida por (28), ento sendo VVi 12= ,

5,0=Dmx , 275,3 cmAe= , B = 0,3T e f= 200kHz, ento:

27,02000000*3,0*10.75,3

5,0*121

4min ==

N

Foi adotado N1 = 4 para obter uma corrente magnetizante menor.

Sendo o mesmo ncleo, a densidade de corrente nos fios para um acrscimo

de temperatura de 30C a mesma j calculada, ou seja, 258,18A/cm2.

Portanto, a rea do cobre ( CUA ) por (17) :

20452,018,258

67,11

18,258

2/34,23cmACU ===


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77



4.3.3.3.ENROLAMENTOS DE SECUNDRIO

Os enrolamentos de secundrios so obtidos pela relao de transformao,

que 10. Sendo o nmero de espiras nos enrolamentos de primrio igual a 4, o nmero de

espiras dos secundrios 40.

A densidade de corrente a mesma j calculada, 2/18,258 cmAJ= ,

portanto a rea do cobre ( CUA ) por (17):

20162,018,258

18,4cmACU ==


necessrio 4 destes em paralelo, foi ento utilizado 12 para reduzir perdas nos enrolamentos,

devido ao efeito pelicular (200kHz).

4.3.4.OFILTROLC

O capacitor de filtro calculado ento por (37), aqui transcrita:

OOf Rf

C...4

1

=

Para o clculo do filtro LC de sada do inversor, o fator de amortecimento

deve ser 1707,0 , foi adotado ento 9,0= . Para a potncia de 560W, a carga

= 80R e freqncia de corte 0f = 10kHz (vide incio do projeto), ento:


80/118

78

Fk

Cf

1,18.10.9,0.4

1==

O indutor, fL , pode ser calculado por (36), aqui transcrita:

fOf CRL224 =

Ento, substituindo 9,0,80 == R e FCf 1,1= :

HLf 2561*99,0*8*422 ==

Assim FCf 1= e FLf 256= .

O projeto do indutor feito conforme 2.5.1.

Adotando ncleo de ferrite do tipo EE, tem-se que a energia no indutor de

filtro ( fL ), para a corrente de projeto (8,36A) obtida por (38):

( ) mJE 89,172*36,8*256*2

1 2==

Consultando o Anexo B, para ncleo tipo EE, x = 0,12 e

54,0*35,63 = TKj , assimz = 1,13e Kj = 397(considerando variao de temperatura, T ,

de 30C).

SendoB = 0,3T, Ku = 0,4, o produto de reas pode ser obtido por (39):

4

13,14

76,93,0*397.*4,0

10*89,17*2cm

mAp =

=

Consultando o Anexo B, o ncleo cujo Ap maior ao requerido pelo indutor o EE 55/28/21, sendo 491,14 cmAp= , cmle 3,12= e 254,3 cmAe= .


81/118

79

O fator de indutncia (Al) pode ser obtido por (41):

2

3

224

/31510*89,17*2

3,0*)10*54,3(

espnHAl ==

O comprimento do entreferro (lg) pode ser calculado por (42):

e

210*3,12lg

=

A permeabilidade do entreferro, e , determinado por (43):

mHe /1,8710*54,3*104

10*3,12.10*31547

29

==

Assim

mm41,11,87

10*3,12lg

2

==

A determinao do nmero de espiras pode ser feita por (44):

5,28315

256==

nN

A determinao da rea de cobre necessria pode ser feita por (45):

JAcu

36,8=

A densidade de corrente (J) pode ser determinada por (46):

212,0 /28791,14.397 cmAJ == Assim


82/118

80

202913,0287

36,8cmAcu ==

Consultando o Anexo C, utilizando fios AWG 22, necessrio 9 destes em

paralelo, sendo adotado 10 fios.

Desta forma conclui-se o projeto do indutor de filtro que resumidamente

possui as caractersticas:

- indutncia de 256H

- ncleo de ferrite EE55/28/21 (Fabricante: Thornton)

- entreferro de 1,41mm- 26 espiras utilizando 10 fios AWG 22 em paralelo.

4.4.OCIRCUITO DE CONTROLE

4.4.1.INTRODUO

O circuito de controle constitudo de um gerador triangular, um gerador

senoidal (no caso do inversor), comparador (gerador dos pulsos PWM) e um circuito digital

responsvel pela lgica de acionamento das chaves, conforme ilustrado na Figura 41.


83/118

81

Figura 41 Diagrama de Blocos do Circuito de Controle

Para o inversor, a referncia uma onda senoidal de 60Hz e para o

amplificador de udio o prprio udio a ser amplificado.

O sinal de referncia pode assumir valores negativos e como a alimentao

do circuito no simtrica (0 e +12V), faz-se necessrio estabelecer a referncia em 6V; desta

forma a alimentao pode ser feita em 6V e -6V.

A mudana da referncia obtida utilizando o regulador de tenso 7506,

conforme ilustra a Figura 42.

Figura 42 Circuito gerador de referncia em 6V

A lgica de chaveamento feita de forma que os transistores sejam

chaveados conforme diagrama de tempo mostrado na Figura 43, que garante o correto

funcionamento do circuito, conforme mostrado em 3.6.1.


84/118

82

Figura 43 Formas de Ondas dos Pulsos de Chaveamento

4.4.2.CIRCUITO GERADOR DA ONDA TRIANGULAR

O circuito gerador da onda triangular implementado proposto pelo

fabricanteHarris Semicondutor[2]. Aps o gerador triangular, utilizado um capacitor para

desacoplamento DC e o ajuste DC em 6V como convm para o controle. Este circuito

mostrado na Figura 44.

Figura 44 Circuito Gerador Triangular


85/118

83

4.4.3.CIRCUITO GERADOR DA ONDA SENOIDAL

O circuito gerador da onda senoidal de referncia implementado mostrado

na Figura 45. Trata-se de um oscilador com ponte de Wien usando dois diodos como

limitador de amplitude [8].

Figura 45 Circuito gerador senoidal

4.4.4.CIRCUITORETIFICADOR DE ONDA COMPLETA DEPRECISO

O circuito retificador deve ser de preciso para que o sinal de referncia no

sofra deformaes devido queda de tenso nos diodos, assim foi implementado o circuito

mostrado na Figura 46 [10].


86/118


87/118

85

Figura 48 Circuito Detector e Separador de Semi-ciclos PWM

O chaveamento em cada conversor feito por duas chaves, assim os trens

de pulsos PWM da cada semiciclo dividido de forma que as chaves conduzam

alternadamente. Assim, conforme a lgica de controle dos conversores, foi implementado o

circuito mostrado na Figura 49.

Figura 49 Circuito Separador de Pulsos das Chaves dos Primrios


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De acordo com a lgica de acionam

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