6. fontes de alimentação

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentaçãoo es de e açãoo es de e ação

11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Fontes primárias de Corrente Fontes primárias de Corrente Alternada (CA)Alternada (CA)e ada (C )e ada (C )

Fontes Frequência Tensãoprimárias

Européia 50Hz 220, 230V (175-265V)u opé a 50Hz 220, 230V (175 265V)

Amer./Jap. 60, 50Hz 110, 100V (85-135V)

Universal 50-60Hz 110-230V (85-265V)

Aviação 400Hz 115V (80 165V)Aviação 400Hz 115V (80-165V)



Sistema de alimentação com Sistema de alimentação com reguladores linearesreguladores linearesreguladores linearesreguladores lineares

☺ Poucos componentes. Pesados e volumososp☺ Robustos☺ Não geram EMI e RFI

Baixo rendimento


☺ Não geram EMI e RFI


Comparação entre fontes Comparação entre fontes lineares e chaveadaslineares e chaveadasea es e c a eadasea es e c a eadas

Chaveada Linear

Relação Potência/Peso

30 a 300W/kg 10 a 30W/kgPotência/PesoRelação Potência/Volume

50 a 300W/l 20 a 50W/l

“Ripple”da tensão de saída

1% 0,1%

EMC I t t D í iEMC Importante DesprezíveisRendimento 65 a 90% 35 a 55%


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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RetificadoresRetificadorese cado ese cado es

• Converte CA em CC:– Valor médio diferente de zero;;

• Resultado:T ã CC l t– Tensão CC pulsante;

• Necessidade de Filtros:– Ripple.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA FiltrosFiltrososos

• Filtro a Capacitor• Filtro RCFiltro RC


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro a CapacitorFiltro a Capacitoro a Capac oo a Capac o



Filtro a CapacitorFiltro a CapacitorPeríodo de Condução do DiodoPeríodo de Condução do DiodoPeríodo de Condução do DiodoPeríodo de Condução do Diodo


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA FiltrosFiltrososos

• Filtro a Capacitor• Filtro RCFiltro RC


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro RCFiltro RCo Co C


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de TensãoReguladores de Tensãoegu ado es de e sãoegu ado es de e são

• Transistores ou Amp OP– Série– Paralelo

• Circuitos Integradosg– Positiva fixa

• Série 7800

– Negativa fixa• Série 7900

– Ajustáveis• LM 317



Reguladores de TensãoReguladores de Tensãoem Sérieem Sérieem Sérieem Série

Transistores

Amp-Op



Regulador série a transistor Regulador série a transistor malha abertamalha abertaa a abe aa a abe a



Regulador série a transistor Regulador série a transistor malha fechadamalha fechadaa a ec adaa a ec ada



Regulador série Regulador série com com AmpAmp OpOpcoco pp OpOp


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Limitação de correnteLimitação de correnteação de co e eação de co e e



Reguladores de TensãoReguladores de Tensãoem Paraleloem Paraleloem Paraleloem Paralelo

TransistoresTransistores

Amp OpAmp-Op



Reguladores de TensãoReguladores de Tensãocom CIscom CIscom CIscom CIs

78XX 79XX

E – Entrada

T – Terra

+ -

E ET TS S

T – Terra

S – Saída

AjustávelFixo

t õ t áti t i t


protecções automáticas contra aquecimento excessivo e curto-circuitos na saída.


Reguladores de tensão Reguladores de tensão ajustávelajustávelajus á eajus á e


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de CorrenteFontes de Correnteo es de Co e eo es de Co e e

• Fonte de Corrente a JFET


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de CorrenteFontes de Correnteo es de Co e eo es de Co e e

• Transistor Bipolar • Transistor / diodo Zener


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes ChaveadasFontes Chaveadaso es C a eadaso es C a eadas

Principais vantagens:– Alta eficiência, acima de 90%, menores dissipadores de

calor;– Múltiplas saídas;– Abaixam ou elevam a tensão de saída;– Baixo volume e custo, para altas potências.

Principais desvantagens:p g– Maior complexidade;– Ruídos audíveis e interferência eletromagnética;g ;– Tempo de resposta à variações de tensão na entrada e

na carga é maior;


g– Manutenção mais cara.


Fontes ChaveadasFontes ChaveadasConversores CCConversores CC--CCCCCo e so es CCCo e so es CC CCCC

Conversores CC-CC sem isolamento elétrico:1.Buck2.Boost3.Buck-Boost

Conversores CC-CC com isolamento elétrico:1.Flyback2.Duplo Flyback3.Forward4.Duplo Forward


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fundamentos de CircuitosFundamentos de Circuitos

Como calcular a relação entre as variáveis elétricas?

u da e os de C cu osu da e os de C cu os

Vamos recordar as propriedades dos indutores e capacitores emcircuitos elétricos em regime permanente:

• A tensão média em indutor é nula.

• A corrente média em um capacitor é nula.

Caso contrario, a+corrente no indutor e atensão no capacitorcresceriam

vL = 0-

Circuito em regime permanente

indefinidamente (nãoestaríamos em regimepermanente)

iC = 0


permanente).

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fundamentos de CircuitosFundamentos de Circuitos

Na forma de onda da tensão em um indutor “a soma dos

Fundamentos de CircuitosFundamentos de Circuitos

Na forma de onda da tensão em um indutor a soma dosprodutos volts·segundos = 0”

tComando

+Circuito em regime permanente

iL t

tiL

vL = 0-

iL t

vLt+

Td·T

-

Áreas iguais


TÁreas iguais


Conversor BuckConversor BuckModo Modo de condução contínuode condução contínuo

Hipóteses:

odoodo de co dução co uode co dução co uo

• A tensão de saída Vo é constante durante um ciclo dechaveamento.

• A corrente no indutor é sempre maior que zero. t

Comando

t

iLiS= iL +

t

tiSiS

iL E VO-

D t D T

t

t

iDiDEVO

+

Durante D·T

Td·T

tiD= iL

VO-

+


Durante (1-D)·T



+ -vL


tComando

EiO vO

+iL

t

iL IO

E O-iC R

• Tensão média nula no indutort

vL

+E- VO(E- VO)·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = D·E

D·T

t-

+

- VO

T• Corrente média nula no capacitorIL = IO = VO/R


L O O



iOiS + -vS

•Tensões máximas


VS max = VD max = E+

EiL+

•Tensões máximas

vO

-E

RiDvD -

• Aplicação do balanço de potências/

t

iSIS

IS = IO·VO/E IS = IO·D

C t édi di dt

iD ID• Corrente média no diodo

ID = IL - IS ID = IO·(1-D) TD·T




O conversor “buck” pode ser visto como um


ptransformador de corrente contínua

VO = E·D+

iOis

I = I /D

E vO

-R

IO = Is/D1 : D

Transformador ideal de corrente continua



Conversor Conversor BoostBoostModo Modo de condução contínuode condução contínuo

i i


iL iD

iSEvO

• Balanço volts·segundos

E·D·T + (E- VO)·(1-D)·T = 0 VO = E/(1-D)

• Balanço volts segundos

VS max = VD max = VO= E/(1-D)

• Tensões máximas


S max D max O ( )


Conversor Conversor BoostBoostModo Modo de condução contínuode condução contínuo

iL i


iL iD iO

t

Comando

iSE vOR

t

iL IL

t

tiS IS

• Corrente média por diodoI = I = V /R

t

t

iD ID

ID = IO = VO/R

• Balanço de potência

TD·T

tIL = IO·VO/E IL = IO/(1-D)

• Corrente media no transistor


IL = ID + IS Is = IO.D/(1-D)


Conversor Boost Conversor Boost curtocurto--circuito e sobrecargacircuito e sobrecargacu ocu o c cu o e sob eca gac cu o e sob eca ga

E R

Este caminho de circulação de corrente nãopode ser interrompido atuando sobre ot i t Otransistor. O conversor não pode ser protegido desta forma.



Conversor Conversor BuckBuck--BoostBoostModo de condução contínuoModo de condução contínuo

v

odo de co dução co uoodo de co dução co uo

+ -vD

-

+ -vS

+vO

+E

RvL

• Balanço volts·segundos

+R-

E·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = E·D/(1-D)

• Balanço volts segundos

VS max = VD max = E+VO= E/(1-D)

• Tensões máximas


S max D max O ( )


Conversor Conversor BuckBuck--BoostBoostModo de condução contínuoModo de condução contínuoodo de co dução co uoodo de co dução co uo

v-IOiDiS t

Comando

vO

+E

RiL

t

tiL IL

• Corrente média por diodoID = IO = VO/R t

tiS IS

• Balanço de potênciaI = I V /E I I D/(1 D)

ID IO VO/R t

iD IDIS = IO·VO/E IS = IO·D/(1-D)

• Corrente media no indutorT

D·Tt


IL = ID + IS IL = IO/(1-D)


Condução nos Condução nos conversores conversores básicosbásicos

(somente um indutor e um diodo)(somente um indutor e um diodo)

iLi

Conversor iO +

t

iL IL

com indutor e diodo

R vO

+

-E

D Tt

Comando

TD·T

O valor médio de iL depende de IO:

IL = IO/(1-D) (boost e buck-boost)

IL = IO (buck)


IL IO/(1 D) (boost e buck boost)


Condução nos Condução nos conversores conversores básicosbásicos

R

co e so esco e so es bás cosbás cos

• Ao variar IO varía o valor médio de iL• Ao variar IO não varíam as derivadas de iL(dependem de E e de V )

iL IL

R1

(dependem de E e de VO) t

R2 >iL IL

R2 > R1 Modo de condução contínuo

t

iRcrit > R2

iL ILt

Modo de condução crítico



Condução nos Condução nos conversores conversores básicosbásicosco e so esco e so es bás cosbás cos

iLIL

Rcrit

O que acontece se R > Rcrit ?t

R R

q crit

t

R3 > Rcrit iLIL Modo contínuo

t

iL IR3 > Rcrit

t

iL ILModo descontínuo



Modo de condução Modo de condução descontínuo: Fatoresdescontínuo: Fatores

i

desco uo a o esdesco uo a o es

iL• Diminuição do valor do indutor.

tiLL

• Diminuição da freqüência dechaveamento.

tiL

• Aumento do valor do resistor de

tcarga (diminuição do valor médioda corrente no indutor).



Modo descontínuo Modo descontínuo de de condução condução

Existem 3 estados distintos:

ççComando

• Condução do transistor (D·T)• Condução do diodo (D’·T)IL

tiL( )

• Transistor e diodo bloqueados (1-D-D’)·T

E l

tiD

I Exemplo

VOEvLt

ID

E OE

D Tt

D’ T

+-

VO

E

VOE E VOVOE(D·T) (1-D-D’)·T(D’·T)

T

D·T D ·T VO


( ) ( )( )


Relação de transformação Relação de transformação no no modo descontinuo modo descontinuo

((p.e.p.e. buckbuck--boostboost))

VOE E = L·iL /(D·T)

iLIL

iLmax

OE(D·T)

E L iLmax/(D T)t

iDID

iLmax

V L i /(D’ T)

VOE( ’ )

vL

+

t

ID

E

VO = L·iLmax/(D’·T)ID = iLmax·D’/2

(D’·T)

D·Tt

D’·T

+-

VO

ID = VO/R

T

D T D TRelação de transformação M=VO/E :

M =D/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T)



Fronteira entre modos Fronteira entre modos de de condução (condução (buckbuck--boostboost))ç (ç ( ))

• Relação transformação modo descontinuo, M:

M = D / (k)1/2 , sendo: k = 2·L / (R·T) i R it( ) , ( )

• Relação transformação modo continuo, N:

N = D / (1 D) t

iLiL

Rcrit

N = D / (1-D)

• Na fronteira: M = N, R = Rcrit , k = kcrit

t

kcrit = (1-D)2

• Modo contínuo: k > kcritcrit

• Modo descontínuo: k < kcrit


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensão a outros conversoresExtensão a outros conversores

Buck Buck-B t

Boost

N = DD

1N =

Boost

2M =

DN =

1-D4·D2

N 1-D

1 + 1 + 4·kD2

DM =

kM =

1 + 1 + 4 Dk

kcrit = (1-D)

k

kcrit = (1-D)2

2kcrit = D(1-crit ( )

kcrit max = 1 kcrit max = 1

crit (D)2

kcrit max = 4/27


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversor Conversor BuckBuck--BoostBoost

Incorporação do isolamento galvânicoIncorporação do isolamento galvânico

Muito fácil incorporar o isolamento galvânico



Conversor Conversor BuckBuck--BoostBoostcom isolamento galvânicocom isolamento galvânicoco so a e o ga â coco so a e o ga â co

Conversor Flyback

O indutor e o transformador podem serintegrados em um único dispositivointegrados em um único dispositivomagnético. Este dispositivo magnético secalcula como um indutor, e não como umtransformador.• Deve armazenar energia.


• Normalmente tem entreferro

6. fontes de alimentação

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