Londrina 2017
Ítalo Stresser dos Santos
PROJETO DE UM CONVERSOR AC/DC DO TIPO FORWARD
A DOIS TRANSISTORES COM CONSTRUÇÃO MÓDULAR
PARA FINS DIDÁTICOS COMO PARTE INTEGRANTE DO
PROJETO DE ENSINO 633
Universidade Estadual de Londrina Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento de Engenharia Elétrica
Ítalo Stresser dos Santos
Londrina 2017
PROJETO DE UM CONVERSOR AC/DC DO TIPO FORWARD
A DOIS TRANSISTORES DISTRIBUÍDO EM MÓDULOS
PARA FINS DIDÁTICOS COMO PARTE INTEGRANTE DO
PROJETO DE ENSINO 633
Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso intitulado “Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633” e apresentadoà Universidade Estadual de Londrina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso
Universidade Estadual de Londrina
Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento de Engenharia Elétrica
Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso intitulado “Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633” e apresentado à Universidade Estadual de Londrina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso
Prof. Dr. Aziz Elias Demian Junior
Prof. Dr. Walter Germanovix
Londrina, 07 de fevereiro de 2018.
PROJETO DE UM CONVERSOR AC/DC DO TIPO FORWARD
A DOIS TRANSISTORES DISTRIBUÍDO EM MÓDULOS
PARA FINS DIDÁTICOS COMO PARTE INTEGRANTE DO
PROJETO DE ENSINO 633
Ficha Catalográfica
Ítalo Stresser dos Santos Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633 Londrina, 07 de fevereiro de 2018 - 74 p., 30 cm. Orientador: Prof. Dr. Carlos Henrique Gonçalves Treviso I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633.
Santos, Ítalo Stresser. Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633 2018. 74p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2018.
RESUMO
Neste trabalho foram desenvolvidos módulos de montagem para o laboratório de eletrônica de potência com a finalidade de executar a conversão CA-CC utilizando a topologia de conversão CC-CC forward a dois transistores. Os módulos projetados são conectáveis entre si e possibilitam a alteração da finalidade de projeto, como: conversores CC-CC, CA-CC, inversores, entre outros. Essa possibilidade de alteração foi formada pelo planejamento de placas que funcionam como uma matriz de conexões, assim permitindo a alteração do circuito de potência e de chaveamento. Para realizar os módulos foi necessário utilizar softwares que compatibilizam as montagens mecânicas e eletrônicas e para a realização dos projetos dos circuitos eletrônicos foram utilizados os conteúdos encontrados na literatura. Os módulos foram testados em uma bancada isolante também projetada, com isso obteve-se os resultados e análises que estão expostos em um capítulo específico, onde são expostos as formas de onda obtidas e os ajustes necessários quanto aos aspectos mecânicos e de execução do projeto.
Palavras-chave: Eletrônica de Potência; Conversão CA-CC; Montagem Modular;
Forward com duas chaves.
Santos, Ítalo Stresser. Projeto de um conversor AC/DC do tipo forward a dois transistores distribuído em módulos para fins didáticos como parte integrante do projeto de ensino 633 2018. 74p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Universidade Estadual de Londrina, Londrina, 2018.
ABSTRACT
In this work, assembly modules were developed for the power electronics laboratory in order to perform the CA-CC conversion using the DC-DC two transistors forward converter topology. The modules are connectable to each other and allow the design purpose to be changed, such as: DC-DC, AC-DC converters, inverters, among others. This possibility of change was formed by the planning of boards that function as an array of connections, thus allowing the power and switching circuit to be changed. In order to realize the modules, it was necessary to use softwares that compatibilize the mechanical and electronic assemblies and to design the electronic circuits was used the content found in the literature. The modules were tested on a specially designed isolated test surface, with this the results and analyzes are obtained that are exposed in a specific chapter, where are exposed the obtained waveforms and the necessary adjustments as far as the mechanical and execution aspects of the project.
Key-words: Power Electronics; AC-DC converter; Modular Assembly; Two Transitor Forward.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
BxH Fluxo magnético em função da intensidade de campo magnético
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CA/CC Conversão de corrente alternada para contínua
CC/CC Conversão de corrente contínua para corrente contínua
PVC Policloreto de vinila
PWM Modulação por largura de pulso
RC Resistor e capacitor
RSE Resistência série equivalente
SCR Retificador de silício controlado
TO-220 Tipo de Encapculamento
VA Volt-ampere
VCC Volts em Tensão Contínua
VCA Volts em Tensão Alternada
3D Visualização tridimensional
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Blocos de montagens PEEBS ................................................................. 10
Figura 2 – Ilustração da forma de montagem dos blocos para execução do protótipo de um circuito projetado ........................................................................................... 11
Figura 3 – Ilustração da montagem dos blocos com o zoneamento para o conversor CA/CC ...................................................................................................................... 12
Figura 4 – Diagrama de blocos dos estágios utilizados para conversão de tensão alternada para contínua ........................................................................................... 14
Figura 5 – Diagrama de blocos dos estágios utilizados para conversão de tensão alternada para contínua ........................................................................................... 15
Figura 6 – Formas de onda do retificador a) ponte completa para entrada 220VCA e b) meia onda dobrador para entrada 127VCA.......................................................... 16
Figura 7 – Tipos de fontes de energia elétrica para alimentação de circuitos ou cargas especificas .................................................................................................... 17
Figura 8 – Circuito esquemático do conversor CC/CC de topologia forward com dois transistores ............................................................................................................... 18
Figura 9 – Etapas de funcionamento do conversor forward a dois transistores.
Em a) Transitores ativos ; b)Transitores em corte .................................................... 19
Figura 10 – Corrente no indutor durante o corte e acionamento dos transistores para funcionamento no modo contínuo ............................................................................ 20
Figura 11 – Curva BxH de um núcleo de ferrite normalmente empregado em indutores e transformadores de conversores CC/CC ............................................... 21
Figura 12 – Circuto equivalente do capacitor ........................................................... 25
Figura 13 - Vista 3D do projeto da base de montagem dos módulos ....................... 30
Figura 14 – Circuito da fonte de 12VCC projetada ................................................... 31
Figura 15 – Trilhas de impressão da fonte de 12VCC. Visualização da face com as trilhas bottom layer sobreposto na imagem .............................................................. 32
Figura 16 – Trilhas de impressão da fonte de 12VCC. Visualização da face com as trilhas do top layer sobreposto na imagem .............................................................. 33
Figura 17 – Visualização 3D da montagem da fonte de 12VCC, vista da entrada ... 33
Figura 18 – Visualização 3D da montagem da fonte de 12VCC, vista da saída ...... 34
Figura 19 – Circuito do conversor CC/CC forward a dois transistores ..................... 36
Figura 21 – Placa modular para os indutores com o indutor projetado conectado ... 40
Figura 22 – Matriz de conexões projetada ............................................................... 43
Figura 23 – Circuito esquemático do retificador de entrada ..................................... 44
Figura 24 – Projeto 3D da arquitetura de montagem modular do conversor CA/CC ................................................................................................................................. 46
Figura 25 – Diagrama de ligações da placa de chaves com os demais módulos para realização do conversor CA/CC ............................................................................... 47
Figura 26 – Esquema em 3D das ligações das barras para confecção do conversor forward com dois transistores................................................................................... 48
Figura 27 – Visualizações em 3D da montagem da matriz de conexões para realização do conversor forward com duas chaves. a) vista direita da placa b) vista esquerda da placa .................................................................................................... 49
Figura 28 – Bancada para encaixe e conexão dos módulos executados ................. 51
Figura 29 – Fonte de alimentação de 12VCC executada ......................................... 52
Figura 30 – Placa de retificação e do filtro de entrada conectados na bancada experimental ............................................................................................................. 54
Figura 31 – Tensão alternada aplicada na entrada do retificador. a) Voltímetro conectado na entrada e osciloscópio ligado na saída do filtro. b) Tensão contínua de saída visto no osciloscópio ....................................................................................... 55
Figura 32 – Circuito realizado para simulação do conversor forward a dois transistores ............................................................................................................... 56
Figura 34 – Resultado da simulação para entrada de tensão máxima de 380VCC. A corrente de saída é representada por I3 e a tensão de saída por VP2 .................... 56
Figura 34 – Resultado da simulação para entrada de tensão mínima, igual a 260VCC. A corrente de saída é representada por I3 e a tensão de saída por VP2 . 57
Figura 35 – Resultado da simulação para entrada de tensão máxima de 380V para o visualização da tensão máxima de overshoot no transitório de partida ................... 58
Figura 36 – Matriz de conexões executada .............................................................. 59
Figura 37 – Matriz de conexões com os componentes conectados para formação do conversor forward.......... ........................................................................................... 59
Figura 38 – Valor da indutância aferida .................................................................... 60
Figura 39 – Placa do indutor e capacitor acoplados na banca experimental ........... 61
Figura 40 – Circuito esquemático interno do circuito integrado LM3524 .................. 61
Figura 41 – Montagem modular executada para realizar a conversão CA/CC......... 62
Figura 42 – Teste para verificação da fase do primário e secundário ...................... 63
Figura 43 – Sinais nos gates dos transistores T1 e T2 ............................................ 63
Figura 44 – Sinal de entrada, sinal retificado na saída do transformador e valor de tensão contínua na carga ......................................................................................... 64
Figura 45 – Sinais na da matriz de conexões com tensão de 260VCC na entrada.
a) sinal secundário do transformador; b) secundário do transformador retificado .... 64
Figura 46 – Sinal de entrada, sinal no secundário do transformador e o valor de tensão contínua na carga ......................................................................................... 66
Figura 46 – Sinal de tensão na carga para uma tensão de 223V e ciclo de trabalho de 28 ..................................................................................................................... 68
Figura 48 – Sinais no gate do transistor no osciloscópio à esquerda e no secundário do transformador à direita ........................................................................................ 69
Figura 49 – Sinal da forma de onda da tensão no transistor T1 ............................... 69
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .............................................................................................. 8
1.1 PROTÓTIPOS DIDÁTICOS PARA A DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE
POTÊNCIA ............................................................................................................... 8
1.1.1 Trabalhos sobre módulos didáticos e modulares .......................................... 9
1.1.2 Blocos de construção modulares .................................................................. 10
.1.3 Descrição do projeto desenvolvido com aplicação para diversos projetos de
eletrônica de potência .............................................................................................. 10
1.2 APLICAÇÃO DO LABORATÓRIO MODULAR PARA O PROJETO DO
CONVERSOR CA/CC COM TOPOLOGIA FORWARD A DOIS TRANSISTORES . 11
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ...................................................................... 12
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................... 14
2.1 O CONVERSOR CA/CC ............................................................................... 14
2.2 RETIFICADOR COM DIODOS EM PONTE COMPLETA E DOBRADOR .... 15
2.3 O CONVERSOR CC/CC COM TOPOLOGIA FORWARD A DOIS
TRANSISTORES ..................................................................................................... 17
2.3.1 Funcionamento do conversor ........................................................................ 18
2.3.2 Características e dimensionamento do indutor ............................................. 20
2.3.3 Características e dimensionamento do transformador .................................. 23
2.3.4 Características e dimensionamento do capacitor .......................................... 25
2.3.5 Características e dimensionamento dos semicondutores ............................. 27
2.4 CONCLUSÃO ................................................................................................ 29
3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA MODULAR........................................ 30
3.1 BANCADA DE ENCAIXE MODULAR............................................................ 30
3.2 FONTE DE ALIMENTAÇÃO MODULAR ....................................................... 31
3.3 CONVERSOR CC/CC FORWARD A DOIS TRANSISTORES ...................... 35
3.3.1 Projeto do transformador ............................................................................... 36
3.3.2 Projeto do indutor .......................................................................................... 39
3.3.3 Projeto do capacitor....................................................................................... 41
3.3.4 Projeto dos semicondutores .......................................................................... 41
3.4 MATRIZ DE CONEXÕES .............................................................................. 43
3.5 RETIFICADOR MODULAR ........................................................................... 44
3.5.1 O filtro capacitivo de entrada ........................................................................ 45
3.6 O CONVERSOR CA/CC COM CONSTRUÇÃO MODULAR ........................ 46
3.6.1 Configuração da matriz de conexões ........................................................... 47
3.7 CONCLUSÃO ............................................................................................... 50
4. EXECUÇÃO DOS PROJETOS E RESULTADOS ....................................... 51
4.1 BANCADA DE ENCAIXE MODULAR........................................................... 51
4.2 FONTE DE ALIMENTAÇÃO ......................................................................... 52
4.3 O RETIFICADOR E O FILTRO CAPACITIVO DE ENTRADA ...................... 54
4.4 CONVERSOR CC/CC FORWARD A DOIS TRANSISTORES ..................... 55
4.4.1 Simulação do conversor CC/CC ................................................................... 55
4.4.2 A matriz de conexões ................................................................................... 58
4.4.3 O indutor e o filtro capacitivo de saída ......................................................... 60
4.4.4 O circuito de controle.................................................................................... 61
4.5 MONTAGEM DA ESTRUTURA MODULAR DO CONVERSOR CA/CC ...... 62
4.6 CONCLUSÃO ................................................................................................ 68
5. CONCLUSÕES ............................................................................................. 69
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 70
8
1 INTRODUÇÃO
A eletrônica de potência é um ramo da engenharia elétrica que desenvolve,
entre outros estudos, a aplicação de conversores de corrente alternada e corrente
contínua, responsáveis pela adequação da energia elétrica para valores utilizáveis
em diversos equipamentos. Essa adequação pode ser realizada com o uso de
dispositivos eletrônicos semicondutores que possibilitam o controle e modificação da
corrente e tensão para valores desejados (HART, 2011).
Por meio dos conhecimentos de eletrônica de potência podem ser obtidos
avanços no desempenho e eficiência dos equipamentos elétricos e eletrônicos. Para
isso, utilizando-se dos conhecimentos do controle de chaveamento dos dispositivos
eletrônicos e da conversão das formas de transmissão da energia elétrica (HART,
2011).
Todas essas características revelam o quanto é importante o aprofundamento
de estudos e pesquisa nessa área, como também evidenciam que essa disciplina
tem função fundamental nas escolas de engenharia elétrica.
1.1 PROTÓTIPOS DIDÁTICOS PARA A DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE
POTÊNCIA
Em razão da necessidade de pesquisas relacionadas à eletrônica de potência
e por se tratar de uma disciplina fundamental na formação dos alunos de engenharia
elétrica, foram planejados equipamentos para permitir a realização de ensaios de
circuitos eletrônicos nos laboratórios. Através deste aparato é possível flexibilizar as
montagens e realizar alterações que proporcionem a execução de projetos com
diferentes potências, topologias ou características dos circuitos.
Os protótipos modulares foram desenvolvidos com a participação de um
grupo de colaboradores em um projeto de ensino. Cada membro contribuiu com os
projetos e execuções de diferentes módulos, tais como: bancada de encaixes, filtros,
módulos de transformadores, placa de chaves eletrônicas, placa de drivers, fonte
12VCC e outros projetos.
Este modelo de aplicação foi realizada em outros trabalhos que descrevem
projetos modulares para montagem de circuitos, alguns exemplos estão descritos a
seguir.
9
1.1.1 Trabalhos sobre módulos didáticos e modulares
Entre os trabalhos com objetivo de desenvolver equipamentos didáticos para
os laboratórios, está o trabalho de mestrado: Laboratório Modular de Eletrônica de
Potência (ROLIM, 1993), o qual descreve uma matriz de chaveamentos composta
por semicondutores que possuem controle realizado por computador interfaceado.
Esse computador possui software especifico para controle da matriz de montagem
dos protótipos. Esse sistema é composto por módulos para permitir o seu
funcionamento, que são: módulo de controle; módulo de interfaces; módulo de
fontes; módulo de chaves e módulo de cargas. Outro trabalho observado foi o artigo
exposto no congresso brasileiro de educação em engenharia: Desenvolvimento de
Laboratório Modular para Aprimoramento de Competências e Habilidades em
Eletrônica de Potência (CARMO; COSTA; MACHADO, 2012), onde são expostos
módulos que compõem um laboratório multifuncional utilizado nas aulas, estes
módulos são formados por circuitos de fusíveis, conversores CA/CC, retificadores,
entre outros. Como forma de controle para os equipamentos foram utilizados
microcontroladores.
Outro trabalho que foi dedicado a experimentação com montagem didática
trata-se do laboratório formulado por Dos Reis et al., 1999, que demonstra a
montagem de módulos de funções fundamentais na eletrônica de potência, divididos
em estruturas não-controládas: retificadores monofásicos e trifásicos, e estruturas
controládas: gradadores, retificadores de três pulsos, seis pulsos, cicloconversores,
conversores duais e outros. Essas estruturas foram realizadas com objetivo de
proporcionar um laboratório completo básico de eletrônica de potência com custo
reduzido com relação aos equipamentos importados.
1.1.2 Blocos de construção modulares
Além dos trabalhos citados, existe o conceito de bloco modulares para
composição de circuitos de potência, proposto pelo escritório de pesquisa naval dos
Estados Unidos, que criou o conceito de Power Electronics Building Blocks, PEBB.
Esse conceito foi desenvolvido na década de 90 e pode ser descrito como um
sistema de circuitos modulares genéricos que objetivaram a redução de custos,
10
tamanho, peso e perdas. Através da construção modular, facilita-se os processos
realizados, como a logística e a montagem dos conversores estáticos, um esquema
de montagem dos blocos está representado na Figura 1 (ERICSEN, TUCKER,1998).
Figura 2 – Blocos de montagens PEEBS
Fonte: Ericsen, T., Tucker, A., 1998.
1.1.3 Descrição do projeto desenvolvido com aplicação para diversos
projetos de eletrônica de potência
Este trabalho também segue a estrutura modular e didática como nos
trabalhos citados, entretanto, as montagens dos circuitos podem ser realizadas com
a ligação de conexões que permitem a alteração e flexibilidade dos projetos. A ideia
de como são montados os módulos está representado na Figura 2, onde se encontra
a ilustração em blocos da possibilidade de aplicações dos equipamentos. Cada
bloco representa um circuito executado para utilização em um projeto e podem ser
conectados conforme a finalidade de funcionamento. Para exemplificar os tipos de
montagens, os blocos estão distinguidos pelas cores, essa distinção é explicada a
seguir: os blocos em azul representam os diversos estágios para execução de um
tipo de circuito ou topologia e são interligados conforme o projeto; em amarelo está a
representação de uma carga de teste; na cor verde está o protoboard que permite a
realização de circuitos auxiliares para funcionamento do protótipo e, em vermelho
está a fonte de 12 VCC para alimentação dos equipamentos.
11
Figura 2 – Ilustração da forma de montagem dos blocos para execução do protótipo de um circuito projetado.
Fonte: o autor.
1.2 APLICAÇÃO DO LABORATÓRIO MODULAR PARA O PROJETO DO
CONVERSOR CA/CC COM TOPOLOGIA FORWARD A DOIS TRANSISTORES
Através do esquema de elaboração de protótipos modulares, torna-se
possível unir os diferentes módulos para a aplicação de uma finalidade de projeto: a
conversão da corrente alternada para contínua utilizando a topologia forward a dois
transistores. Para que seja realizado esse conversor, foram projetados os módulos
que estão entre os equipamentos desenvolvidos e descritos neste trabalho e, junto a
esses projetos, está o projeto do conversor CC/CC do tipo forward a dois
transistores. O zoneamento dos blocos utilizados para realização do conversor
CA/CC está exposto na Figura 3, onde é ilustrado a sua montagem para testes na
bancada de conexões.
12
Figura 3 – Ilustração da montagem dos blocos com o zoneamento para o conversor CA/CC.
Fonte: o autor.
Esse diagrama de blocos mostrado na Figura 3 estabelece a forma de
montagem dos blocos projetados e mostrados na Figura 2, com intuito de realizar a
conversão CA/CC.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este documento está organizado em cinco capítulos que descrevem os
projetos e execuções dos aparatos desenvolvidos, onde são expostos os projetos
dos módulos realizados, cálculos, fundamentação dos conceitos utilizados e os
resultados obtidos.
O documento possui um capítulo de fundamentação teórica, capítulo 2, o qual
explicita as equações utilizadas no decorrer dos projetos e os princípios da
conversão da tensão alternada para contínua utilizando o conversor forward a dois
transistores.
Posterior ao capítulo de fundamentação, está o capítulo do desenvolvimento
dos projetos. Nesse capítulo estão mostrados os procedimentos de projeto, como os
cálculos, parâmetros dos projetos e dispositivos utilizados e softwares.
As montagens dos equipamentos projetados e os resultados obtidos são
explícitos no capítulo 4, onde estão evidenciadas as imagens dos dispositivos
13
realizados, os dados obtidos com os testes e as comparações com os valores
projetados e simulados.
Por último, no capítulo 5, é realizada a conclusão que descreve a relevância
dos resultados obtidos, as características do projeto com suas implicações durante o
uso e os pontos a serem ajustados e melhorados.
14
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 O CONVERSOR CA/CC
Os conversores estão presentes em todos locais de utilização da energia
elétrica, seja nas residências, comércio ou indústria. A grande maioria das fontes
eletrônicas são compostas por dispositivos de chaveamento semicondutores que
proporcionam uma redução de dimensões e menores custos, sem comprometer a
eficiência em relação às fontes lineares (VODOVOZOV; JANSIKENE, 2006).
Uma dessas conversões presentes na utilização da energia elétrica é a
conversão da tensão alternada para contínua, CA/CC, que em sua grande maioria é
utilizada para adequar a tensão da rede de distribuição de energia fornecida pelas
concessionarias.
Para realizar a conversão da corrente alternada, CA, para corrente contínua,
CC, são realizados os seguintes estágios: retificação; filtragem da onda de saída da
retificação; adequação da tensão para valores conforme a necessidade da carga,
sendo elevada ou abaixada e, outra filtragem da onda após a adequação da tensão.
Os estágios dessa conversão estão ilustrados em blocos na Figura 4.
Figura 4 – Diagrama de blocos dos estágios utilizados para conversão de tensão alternada para contínua.
Fonte: o autor.
Para obter a forma de onda contínua da tensão, utiliza-se o processo de
retificação da entrada de corrente alternada, CA. Entre essas retificações existem as
não controladas que utilizam configurações de diodos para a retificação e, a
15
retificação controlada que utiliza dispositivos SCRs que funcionam com a condução
e corte em determinados ângulos da onda senoidal. A aplicação de diodos para
retificação é, normalmente, utilizada para fontes de tensão contínua para circuitos
eletrônicos, já o sistema controlado por SCRs podem ser aplicados em controle de
velocidade de motores CC, ferramentas portáteis e transmissão CC em alta tensão
(AHMED, 2000).
2.2 RETIFICADOR COM DIODOS EM PONTE COMPLETA E DOBRADOR
Esse modelo de retificador utiliza quatro diodos e dois capacitores, onde é
possível obter uma saída de retificação em ponte completa e dobrador. A Figura 5
mostra o circuito da retificação, onde é visualizado a possibilidade de duas tensões
de entrada, 127VCA e 220VCA, tensão de fase e de linha encontradas nas linhas de
distribuição de baixa tensão.
Figura 5 – Diagrama de blocos dos estágios utilizados para conversão de tensão alternada para contínua.
Fonte: Mello, 1987.
Para a entrada de tensão 220VCA os diodos, D1 a D4, farão a retificação de
onda completa e a capacitância de C1 e C2 será ligada em série, resultando na
forma de onda exposta na Figura 6a. Com a tensão de 127VCA de entrada a tensão
será dobrada. Isso ocorre devido a diferença de tensão entre os capacitores
carregados com cargas opostas em relação ao ponto comum entre eles, como pode
ser analisado no circuito da Figura 5, resultando na forma de onda da Figura 6b. A
16
cada meio período de onda, um capacitor carrega-se com tensão oposta em relação
ao outro, isso é devido aos diodos, D3 e D4. A tensão resultante na saída será
próximo ao dobro do valor de pico da onda alternada.
Em ambas as tensões de entrada o valor CC da tensão de saída não será o
mesmo que o pico da entrada CA, pois ocorre a descarga dos capacitores durante o
ciclo senoidal, causando uma componente CA de pequena amplitude na saída do
retificador.
Figura 6 – Formas de onda do retificador a) ponte completa para entrada 220VCA e b) meia onda dobrador para entrada 127VCA.
Fonte: Mello, 1987.
Para encontrar o capacitor que assegure um valor de oscilação da
componente CA da saída do retificador, pode-se utilizar a equação 1 demonstrada
por Mello, 1987 e Barbi, 2004. Ela possui dependência da potência de entrada, P�,
da frequência senoidal de entrada, f, da tensão de pico, V�, e dá tensão de mínimo,
V�.
C = ��
� (������
�) (1)
.
Como visto pela Figura 4, após o processo de filtragem do retificador de
entrada, o valor da tensão atinge valores próximos à tensão de pico da entrada CA.
Devido a isso, essa tensão deve ser alterada para que seja possível utilizar essa
fonte de energia elétrica em diversas finalidades. A Figura 7 mostra as fontes de
energia elétrica que adequam as grandezas elétricas para valores utilizáveis.
17
Figura 7 – Tipos de fontes de energia elétrica para alimentação de circuitos ou cargas especificas.
Fonte: Treviso, 2016.
Nessa Figura 7 estão mostradas as topologias dos tipos de fontes que
possuem características distintas de funcionamento.
Para realizar a adequação da tensão, conforme expresso em por Ahmed,
2000, pode ser empregado o conversor CC/CC, também denominado chopper. Os
circuitos CC/CC são fontes do tipo chaveadas, com elas são obtidos valores de
tensões CC secundárias de valores variáveis a partir de uma tensão CC constante
2.3 O CONVERSOR CC/CC COM TOPOLOGIA FORWARD A DOIS
TRANSISTORES
O conversor CC-CC é um circuito responsável por alterar uma tensão
contínua primária para outro valor regulado. Para efetuar essa conversão existem
diferentes topologias, assim como demonstrado na Figura 7, entre essas topologias
existe a topologia forward com dois transistores.
O circuito do forward com duas chaves pode ser visto na Figura 8. O
conversor forward a dois transistores possui o funcionamento semelhante ao
conversor forward com um transistor, o que difere entre os dois modelos do
conversor é o lado da entrada do conversor, onde, no forward com uma chave há a
necessidade de um enrolamento de desmagnetização do núcleo, no caso do modelo
18
com dois transistores não há necessidade desse enrolamento e a desmagnetização
ocorre através dos diodos D1 e D2, mostrados na Figura 8. Essa semelhança do
circuito não altera a forma de transferência de energia, assim possibilitando que as
análises de funcionamento e dimensionamento sejam semelhantes (TREVISO,
2016).
Figura 8 – Circuito esquemático do conversor CC/CC de topologia forward com dois transistores.
Fonte: Adaptado de Barbi (2001).
Outro aspecto desses conversores é a isolação galvânica existente, que,
segundo Erickson, Maksimovic, 2001, são necessárias em algumas aplicações de
conversores CC/CC. Essa isolação é realizada com um transformador entre a
entrada e saída.
Esses transformadores podem ser de tamanho reduzido comparados aos
transformadores de frequência de 60Hz, pois o chaveamento dos transistores são
efetuados com valores de dezenas ou centenas de quilohertz. (KAZIMIERCZUK,
2014).
Algumas vantagens para a utilização do forward com duas chaves, expostos
em Barbi, 2007 e Treviso, 2016, são proporcionadas pelo valor da tensão nas
chaves igual a da fonte de entrada, que é a metade do valor resultante no forward
com uma chave e, pela não necessidade de um enrolamento de desmagnetização
do núcleo. Esses aspectos de funcionamento das correntes e tensões são
explicados no tópico a seguir.
19
2.3.1 Funcionamento do conversor
O controle da transferência de energia entre entrada e saída desse conversor
pode ser executada por Modulação por largura de pulso, PWM (Pulse Width
Modulation), assim é controlado o valor da tensão de saída. Um parâmetro da onda
de controle PWM é o ciclo de trabalho, D, utilizado para os cálculos de
dimensionamento dos conversores. Esse parâmetro, D, especifica o tempo que a
onda permanece em estado alto, Ton, em relação ao período da onda, T, mostrado
pela equação 2.
D = ���
� (2)
O detalhamento do funcionamento do circuito do conversor está esboçado
nas Figura 9a e 9b. Na Figura 9a visualiza-se a etapa de transferência da energia do
primário do transformador para o secundário. Isso é causado pelo acionamento dos
dois transistores simultaneamente, esse acionamento deve permanecer ligado no
máximo por meio período da onda PWM, isto é, um ciclo de trabalho, D, máximo de
50%. Essa limitação advém da necessidade de desmagnetização do núcleo
transformador.
Figura 9 – Etapas de funcionamento do conversor forward a dois transistores. Em a) Transitores ativos ; b)Transitores em corte.
Fonte: Adaptado de Barbi (2001).
20
Com os transistores acionados a tensão de entrada, Vi, é colocada no
enrolamento do transformador, o qual é percorrido pela corrente i1 que ocasiona
uma corrente i2 no secundário do transformador. Essa relação de correntes interfere
na tensão de saída do conversor, portanto ela é colocada na equação 3 que
relaciona as tensões de saída, Vo, e de entrada Vi, exposta por Barbi, 2001. A
relação de correntes é expressa pela relação de espiras, N, que é a divisão das
espiras do primário pelo secundário. A queda de tensão nas chaves foi inserida na
equação conforme Treviso, 2016.
Vo = �(�������)
�− Vd3 D (3)
As formas de onda do conversor estão expostas na Figura 10. No ponto após
a retificação do diodo D3, denominado Vsec_ret na figura, tem-se a tensão
retificada, impedimento o período com tensão negativa. Essa corrente retificada pelo
diodo D3 circula pelo indutor que carrega-se conforme o gráfico de IL, onde pode-se
ver na figura 10 o indutor em funcionamento de modo contínuo. A energia
armazenada no indutor é transferida para a carga e capacitor com o desligamento
das chaves e o diodo D4 é polarizado e a circulação de corrente ocorre como
mostrado na Figura 9b.
Figura 10 – Formas de onda no conversor forward com dois transistores.
Fonte: Adaptado de Treviso (2016).
21
2.3.2 Características e dimensionamento do indutor
Durante o período em que os transistores estão acionados ocorre a
transferência de energia para os componentes passivos e a carga, nesse período o
indutor armazena energia magnética em seu núcleo, quando ocorre o desligamento
dos transistores, a energia armazenada no indutor é devolvida ao circuito com uma
corrente no sentido mostrado na Figura 9b.
Para um funcionamento contínuo a forma de onda da corrente no indutor terá
comportamento como o mostrado na Figura 11. A corrente saída, io, que permanece
entre o máximo e mínimo da corrente do indutor, é mantida durante o corte do
transistor através da energia armazenada no indutor. Portanto, para garantir essa
corrente de saída que vai para a carga durante o tempo desligado do transistor,
deve-se utilizar um indutor que tenha um valor mínimo de indutância que garanta o
armazenamento da energia necessária. Esse valor é calculado pela equação 4
mostrada por Barbi, 2001 e Treviso, 2016.
Figura 11 – Corrente no indutor durante o corte e acionamento dos transistores para funcionamento no modo contínuo.
Fonte: Adaptado de Barbi (2001).
L ≥���� (������)�����
� ����� �� � (4)
Onde D��� é o ciclo de trabalho mínimo que o conversor trabalhará; Vimax é a
tensão de entrada máxima; Iomin é a corrente de saída mínima no regime contínuo
e Fs é a frequência de chaveamento dos transistores.
A energia armazenada no núcleo do indutor não deve causar a saturação do
22
núcleo nos instantes em que o enrolamento do indutor é percorrido pela corrente i1
da Figura 9a. Para isso, deve-se escolher a região abaixo da saturação, o que pode
ser observado na curva de fluxo magnético, B, por intensidade de campo magnético,
H , na Figura 12. Para Erickson, Maksimovic, 2001, o valor escolhido para o
desenvolvimento do projetos devem considerar 75% do valor máximo da saturação
do núcleo. Um ponto normalmente escolhido, é o ponto logo abaixo do “joelho” da
curva BxH, na Figura 12 é exposto a região de trabalho da curva de histerese no
gráfico BxH, expondo um valor de variação de fluxo, B, por variação de intensidade
de campo magnético, H .
Figura 12 – Curva BxH de um núcleo de ferrite normalmente empregado em indutores e transformadores de conversores CC/CC.
Fonte: Adaptado de Erickson, Maksimovic (2001).
A indutância possui relação com a energia armazenada expressa pela
equação 5, onde a corrente de saída é acrescida do valor de variação da corrente
durante o funcionamento, I���� .
E� =�
� L(I� + I���� )
� (5)
Esse valor de energia não deve ser maior que a capacidade do núcleo, devido
a isso é necessário escolher o tamanho do núcleo que satisfaça essa condição. O
método exposto por Mello, 1986, mostra uma equação utilizando diversos fatores
que influenciam a capacidade do núcleo, a equação 6, expõe o fator, Ap, que trata-
se dos produtos das áreas, que são as áreas efetiva, Ae, e área das janelas do
núcleo, Aj. Com esse valor Ap pode ser conhecido o núcleo a ser utilizado.
23
Ap = �� � ���
� � � � �����
�
(6)
Nessa equação 6, Ku é um fator de utilização das janelas, em Treviso, 2016,
é utilizado a aproximação do valor para 0,4. O fator Kj é respectivo a densidade de
corrente nos fios e é alterado conforme a temperatura de trabalho do núcleo. O
expoente, z, é um valor que depende do tipo de núcleo a ser utilizado, no caso do
núcleo EE esse valor é de 1,136.
A equação 7 expõe a forma de cálculo do Kj para um núcleo do tipo EE.
K� = 63,35 T�,�� (7)
Devido ao fator K� influenciar na densidade de corrente, a equação 8 mostra a
expressão para obter a densidade de corrente nos fios que envolvem o núcleo, J. O
valor de x é dado conforme o núcleo e para o tipo EE tem valor de 0,12.
J= Kj Ap�� (8)
Com intuito de obter o número de espiras necessárias para o indutor deve-se
utilizar a equação 9 que utiliza o fator de indutância, A�, para o cálculo. O fator de
indutância é um valor constante para cada modelo de núcleo, podendo ser
encontrado o seu valor pela permeabilidade do núcleo, pela área de passagem do
campo magnético e o comprimento médio percorrido pelas linhas de campo.
L� = A� N1� (9)
Devido a necessidade de conhecimento do fator de indutância do núcleo para
saber o número de espiras para o indutor, pode-se utilizar a equação 10 que é
baseada nos dados advindos da folha de dados do fabricante do núcleo, pelo valor Z
que varia conforme o tipo de núcleo e pela energia necessária calculada.
A� = � �� � ���� �
� ��
�
(10)
24
Para ajustar o fator de indutância, Mello, 1986, expõe uma equação para o
calculo do entreferro necessário. A equação 11 está exposta somente com as
variáveis necessárias para efetuar o cálculo do entreferro.
G = �� � �
� � � (11)
Com a adição do entreferro aumenta-se o valor da relutância magnética no
circuito magnético, a indutância incremental na curva BxH se reduz e é linearizada e
o valor de B��� não é alterado por ser característico ao material. Esses fatores
provocam uma linearização da curva que relaciona o fluxo magnético gerado com a
corrente � que circula no enrolamento, sendo necessária uma corrente maior para a
saturação do núcleo (POMILIO, 1995).
2.3.3 Características e dimensionamento do transformador
Assim como acontece no indutor o núcleo do transformador deve ser
dimensionado considerando sua capacidade de armazenar a energia. Várias
equações e métodos para dimensionamento do transformador são iguais ou
adaptados para o projeto do transformador. No caso do conversor forward, tem-se a
equação 12, exposta por Treviso, 2016, para o cálculo do produto das áreas do
transformador, Apt.
Apt= ��,�� �� ���
�� �� ���
�
(12)
O transformador do forward tem sua curva de histerese no primeiro quadrante
do gráfico BxH, visto na Figura 12. O seu dimensionamento deve levar em
consideração a variação da tensão de entrada, resultando na equação 13.
Bt= �����
�����Bmax (13)
A potência de saída, Ps, pode ser encontrada pelo produto da corrente CC e
tensão CC de saída. Com o conhecimento do núcleo a ser utilizado, pela equação
de Apt, o cálculo do número de espiras do enrolamento primário pode ser realizado.
25
A equação 14, advinda expressa a forma de cálculo, onde deve-se utilizar o valor
mínimo da tensão de entrada e o ciclo de trabalho máximo. A área efetiva, Ae, é
encontrada nas folhas de dados dos fabricantes do núcleo.
N1 = ������ ����
�� �� ��� (14)
Para dimensionar a área de cobre dos condutores do enrolamento do
transformador é necessário conhecer o valor da corrente de magnetização, I��, e a
corrente do secundário, I�� ����. Em Treviso, 2016 estão as equações para cálculo
das correntes, que estão exposta nas equações 15 a 17, abaixo. A equação 17
permite dimensionar á área do condutor de cobre, pois é a adição da corrente de
magnetização do núcleo com a corrente refletida do secundário.
I�� = ���� �����
�� �� (15)
I����� = I�� �����
� (16)
I����� = � ��� √�
��
�
+ �I�������
(17)
Pelo exposto em Treviso, 2016 e Mello, 1986, a corrente do secundário é
dada pela equação 18.
I����� = I� √D (18)
Com o conhecimentos das correntes que circulam pelo enrolamentos que
envolvem o núcleo, calcula-se a área de cobre, A, necessária para o projeto
utilizando o valor obtido da densidade de corrente, J, exposta na equação 8. O valor
da área necessária é dada pela divisão da corrente pela densidade de corrente,
equação 19, sendo utilizada para conhecimento da área necessária para o indutor
ou para o transformador.
A = ����
� (19)
Para satisfazer o obtido com a equação 19, são utilizados fios de cobre ou
26
fitas de cobre. Para permitir maior flexibilidade para dobrar o condutor e executar o
transformador ou o indutor, emprega-se fios de cobre com seções transversais de
áreas menores, os quais são trançados com número de fios que resulte em uma
área superior que a calculada.
2.3.4 Características e dimensionamento do capacitor
O capacitor possui modelagem composta por uma capacitância, uma
resistência e uma indutância, conforme está exposto na Figura 13. Em baixas
frequências a resposta dada por esse circuito da Figura 13 é capacitivo, em altas
frequências o elemento indutivo torna-se significante, podendo ser predominante
(Pomilio, 1995).
Figura 13 – Circuto equivalente do capacitor.
Fonte: Pomilio (1995).
A resistência série tem efeito significativo na ondulação da tensão, assim
como também provoca as perdas (dissipação de energia) no capacitor. Ela pode ser
responsável por uma variação de tensão maior que a variação causada pela carga e
descarga do capacitor. Em alguns casos, o principal ponto de análise do filtro de
saída de uma fonte é a resistência série equivalente (RSE) do capacitor, com intuito
de obter a variação desejada (Pomilio, 1995).
Esta característica do capacitor deve ser considerada em projetos de filtros de
fontes, assim como afirma, Barbi, 2001:
‘’um valor de RSE maior que o previsto provoca um aumento da ondulação da tensão de saída. Para reduzir a RSE do filtro de saída, costuma-se associar capacitores em paralelo. Normalmente o capacitor para o filtro é escolhido em função da RSE e não da sua capacitância em mF.’’
A equação considerando os efeitos capacitivos e da RSE é mostrada na
equação 20, advinda de Treviso, 2016. Essa equação está formulada de forma que
pode ser obtido o número de capacitores necessários para uma determinada
variação de tensão de saída, V�.
27
Ela pode ser analisada separadamente, por cada termo da expressão.
Pomilio,1995, cita que para uma variação de corrente, ocorre uma variação de
tensão respectiva a RSE, assim como o último termo da equação 20, demonstrado
na expressão abaixo:
V� = I����
�
para o termo:
2I�������
�
Barbi, 2001, aborda que a corrente de carga e descarga do capacitor é a diferença
entre a corrente acima e abaixo da corrente de saída, I�. A corrente que varia
conforme a carga e descarga do indutor é a corrente I����, portanto, essa
componente alternada também causa a variação de tensão V�.
O primeiro termo na equação 20:
D���(1 − D���)V����
8 L n C Fs� N
refere-se a carga e descarga do capacitor ocasionado pelo magnetização e
desmagnetização do indutor. Mello, 1986, mostra que esse termo define o valor de
capacitância necessária para uma determinada variação de tensão, V�.
Mello, 1986, determina a variação de tensão causada por transitórios de
corrente na carga, transitórios esses que são supridos pelos componentes LC. A
partir disso, forma-se o termo:
(1 − D���)L ( I�)�
D��� n C V�
o qual está rearranjado como o exposto em Treviso, 2016. Com esses termos
calculados em função de um número, n, de capacitores, define-se a quantidade de
capacitores necessários para atender os requisitos do projeto.
28
2.3.5 Características e dimensionamento dos semicondutores
O dimensionamento dos semicondutores pode ser feito pela análise de
circuito e das formas de ondas durante o funcionamento do conversor. Essas
análises são demonstrada em Mello, 1986 e Treviso, 2016. A capacidade de
corrente que as chaves devem suportar, é dimensionada pela equação 21, que
expõe a corrente média que passa pelas chaves, formada por, D, multiplicando a
corrente refletida do secundário para o primário do transformador adicionado a
corrente magnetizante média do núcleo. A corrente magnetizante pode ser
encontrada pela equação 15.
I����� =��
�D + I������ (21)
Uma análise semelhante deve ser efetuada para encontrar a corrente de pico
na chave. Novamente com a corrente refletida do secundário para o primário
somada com a corrente magnetizante.
I������ =����� ���
�+ I�� (22)
As correntes dos diodos D1 e D2, conforme a Figura 9, podem ser calculadas
pelas equações 23 e 24. Esses diodos conduzem somente no corte dos transistores
e permitem a passagem da corrente de desmagnetização do núcleo.
I����� = I����� = I������ (23)
I������ = I������ = I��� (24)
As correntes no diodo D3 ocorrem somente durante o acionamento dos
transistores. A corrente média tem relação direta com o ciclo de trabalho, D, e as
equações 25 e 26 demonstram matematicamente essas caraterísticas de condução
.Pode ser observado que a equação da corrente de pico, 26, é a mesma que a
corrente máxima do indutor, durante o seu carregamento.
I����� = I�D (25)
I������ = I���� + I���� (26)
O diodo D4 conduz quando o transitor entra em corte, nesse momento,
29
conforme pode ser visualizado na Figura 9b, a corrente do indutor polariza
diretamente o diodo D4 e este permite o fluxo do corrente no indutor para a carga e
o capacitor. Essa circulação de correntes resulta nas equações 27 e 28. No
momento que o transistor é acionado, surge uma tensão reversa nesse diodo e ele
não permite a passagem de corrente no sentido oposto, essa tensão é
dimensionada pela equação 29.
I����� = I�(1 − D) (27)
I������ = I���� + I���� (28)
V����� =������� ���
�− V�� (29)
A tensão reversa máxima do diodo D3 pode ser dimensionada pela análise do
circuito 9b no instante que os transistores deixam de conduzir. Nesse instante o
transformador irá produzir uma tensão reversa no secundário proporcional à relação
de espiras, N, e com valor máximo limitado pela fonte de tensão de entrada, V�,
somado com as quedas de tensões dos diodos D1 e D2, isso está exposto na
equação 30.
V����� =�������������
� (30)
As tensões reversas nos diodos D1 e D2 tem valor como exposto na equação
31 e podem ser verificadas pelo circuito 9a.
V����� = V����� = V���� − V�� (31)
As tensões reversas nas chaves podem ser analisadas pelo circuito 9b e são
um dos motivos para a utilização do forward a dois transistores, o valor da tensão
máxima está explicita na equação 32.
V����� = V����� = V���� + V�� + V�� (32)
30
2.4 CONCLUSÃO
Neste capítulo foram abordados os princípios necessários para realização dos
projetos, conceituando as características das etapas para realizar a conversão
CA/CC. Isso está evidenciado com tópicos separados e seguindo uma sequência
lógica do funcionamento e das etapas para realizar o projeto do conversor. Foram
exploradas as técnicas de projeto utilizando as referências utilizadas nas notas de
aula de eletrônica de potência e outras fontes bibliográficas. Portanto, com as
técnicas expostas, podem ser realizados os projetos e também conhecido as teorias
respectivas as implementações dos estágios de funcionamento conversor, que estão
demonstrados nos capítulos seguintes deste documento.
31
3 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA MODULAR
As descrições de como foram projetadas e executadas as partes integrantes
dos equipamentos, expondo os métodos de montagem e o dimensionamento dos
componentes, são demonstrados neste capítulo. A seguir, os projetos dos módulos
estão separados por itens para descrição das suas etapas.
3.1 BANCADA DE ENCAIXE MODULAR
Foi iniciado o projeto dos equipamentos com objetivo de estabelecer um
objeto que alocasse os módulos eletrônicos. O objeto planejado trata-se de uma
bancada com dimensões de 333x363mm, onde são encaixados os módulos. A
Figura 14 mostra o projeto da bancada, onde já estão colocados os rebites formando
uma matriz de rebites de 22x20 rebites.
O material planejado para a bancada é o PVC expandido, um material rígido e
isolante elétrico. Nessa placa foram colocados rebites rosqueáveis com a finalidade
de permitir a colocação de parafusos que fixam os módulos com a bancada. Os
rebites possuem espaçamento entre eles de 15 mm, formando uma matriz de rebites
que permite a fixação de módulos de circuitos, ou seja, os tamanhos permitidos para
os módulos podem ser formados por 5x5 rebites, 10x5 rebites, ou outras
combinações.
Figura 14 - Vista 3D do projeto da base de montagem dos módulos.
Fonte: o autor.
32
3.2 FONTE DE ALIMENTAÇÃO MODULAR
A fonte foi desenvolvida para alimentar os componentes que serão utilizados
na bancada experimental e tendo como objetivo uma abordagem didática no seu
projeto. O projeto da fonte almejou utilizar o menor espaço possível na bancada, isso
resultou em uma placa de tamanho modular de 5x4 rebites, o que corresponde a
uma placa de 72x57mm. Abaixo estão listadas as características estabelecidas para
o projeto:
Tamanho modular de 5x4 rebites;
Tensão de entrada 127/220 VAC;
Tensão de saída 12 VDC;
O tipo de fonte de alimentação foi estabelecido como do tipo linear, sendo o
transformador com a entrada de 220/127V, saída 7,5+7,5V e potência de 1,4VA. O
transformador com saída 7,5+7,5V foi utilizado, pois foi o único disponível para esse
tamanho de placa modular. Por não ter a derivação central, foi necessário a
utilização de 4 diodos em ponte para a retificação da tensão de 15V da saída do
transformador. O esquemático do circuito foi realizado no software Altium, o qual
está exposto na Figura 15.
Figura 15 – Circuito da fonte de 12VCC projetada.
Fonte: o autor.
33
Para permitir a seleção da entrada de tensão 220VCA ou 127VCA foi utilizado
uma chave em paralelo com um relé de 12VCC, com isso a seleção da tensão de
entrada possa ser realizada por acionamento elétrico ou automatizado por alguma
lógica necessária para o experimento.
Na placa foram colocados pontos para verificação de sinais no circuito,
nomeados como S1 a S6 no esquemático, e para proteção dos componentes contra
curto-circuito foi colocado o fusível, F1, com capacidade de corrente de 0,1 amperes.
O projeto contemplou uma entrada auxiliar de corrente, que está ligada ao
borne CON4, que é conectado ao diodo, D4, de chaveamento rápido. Essa escolha
tem o objetivo de permitir a passagem de corrente no instante que a fonte ligada ao
conector CON4 ocasionar uma polarização direta do diodo D4, essa entrada permite
que seja alimentada uma carga com necessidade de correntes maiores que a
suportada pelo transformador.
Depois de efetuado o esquemático de ligações dos componentes, foram
gerados os circuitos das trilhas para impressão nas duas faces da placa, bottom
layer e top layer, expostos nas figuras 16 e 17.
Figura 16 – Trilhas de impressão da fonte de 12VCC. Visualização da face com as trilhas bottom layer sobreposto na imagem.
Fonte: o autor.
34
Figura 17 – Trilhas de impressão da fonte de 12VCC. Visualização da face com as trilhas do top layer sobreposto na imagem.
Fonte: o autor.
Para visualizar e compatibilizar os componentes na placa foram
desenvolvidos os modelos 3D dos componentes no Solidworks e adicionados ao
projeto no Altium. Isso possibilitou realizar a arquitetura dos componentes sobre a
placa e deixá-la compacta. Os modelos 3D da fonte de 12VDC são expostos nas
figuras 18 e 19.
Figura 18 – Visualização 3D da montagem da fonte de 12VCC, vista da
entrada.
Fonte: o autor.
35
Figura 19 – Visualização 3D da montagem da fonte de 12VCC, vista da
saída.
Fonte: o autor.
Quadro 1: Especificação dos componentes utilizados para o projeto da fonte
de 12V.
COMPONENTE ESPECIFICAÇÃO QUANTIDADE
F1 Fusível de vidro 5x20mm - 0,1 A com porta fusível 1
CH1 Chave HH, 2 posições,127V / 220V - 22x7mm 1
CON11
Conector Borne 2 vias com parafuso - 12,5x9x10mm 1
CON6
Conector Borne 8 vias com parafuso - 16x10x40mm 1
CON2, CON3, CON4,CON5
Conector KK 2 vias macho - 5x5mm 4 S1 a S6 Pino Header Macho 6
RE1 Rele 12vdc - NA+NF - 14x12x15mm – 20A 1
L1 Led 3mm - verde 1 R1 Resistor 1k5 - 1/4W 1 C3 Capacitor 1000uF/16V 1
C1, C2 Capacitor 1000uF/25V 2 C4 Capacitor poliester u22 k 400 1
D1,D2,D3,D5,D6 Diodo 1n4007 5 D4 Diodo UF5407 1
REG1 Regulador LM7812 1 REG1 Dissipador de alumínio AAVID 507302 -
19x19x10mm 1
36
TR1 Transformador 220/127V; saída: 7,5+7,5V;1,4VA 1
3.3 CONVERSOR CC/CC FORWARD A DOIS TRANSISTORES
Para realizar o projeto do conversor CC/CC forward a dois transistores foram
utilizados os parâmetros de projeto presentes no quadro 2. O circuito esquemático
do conversor está exposto na Figura 20. Com os parâmetros, o circuito esquemático
e as equações respectivas para o projeto desse conversor, foram projetados os
componentes necessários utilizando os cálculos e os métodos expostos a seguir.
Quadro 2: Especificação dos parâmetros para o funcionamento do conversor
forward com dois transistores.
PARÂMETRO ESPECIFICAÇÃO PARÂMETRO ESPECIFICAÇÃO
Tensão de entrada mínima (Vi_min)
260V Ciclo de trabalho máximo da frequência. (D_max)
0,45
Tensão de entrada máxima (Vi_max)
380V Ripple do capacitores (Vr)
2%
Tensão de saída (Vo)
30V Variação da saída da ponte retificadora (Vo)
10%
Corrente de saída (Io)
10A Queda de tensão nas chaves (VCH)
1V
Corrente de saída mínima (Io_min)
1A Queda de tensão nos diodos do primário (VD1,VD2)
1,7V
Frequência de chaveamento (Fs)
100kHz
Queda de tensão nos diodos do secundário (VD3,VD4)
1,5V
37
Figura 20 – Circuito do conversor CC/CC forward a dois transistores.
Fonte: o autor
3.3.1 Projeto do transformador
O projeto foi realizado seguindo as equações e conceitos presentes na
apostila utilizada nas aulas de eletrônica de potência e na literatura pesquisada,
presentes no capítulo 2 de fundamentação teórica deste trabalho. Inicia-se o cálculo
do transformador encontrando valor da relação de espiras N, substituindo na
equação 3 os valores dos parâmetros de projeto expostos no quadro 2.
N = Dmax(Vimin − 2Vch)
Vo + Vd3 Dmax=
0,45(260 − 2 ∗ 1,7)
30 + 1,5 ∗ 0,45= 3,76
a partir do valor de N obtém-se o valor de Dmin :
N = Dmin (Vimax − 2Vch)
Vo + Vd3 Dmin ®
3,76 = Dmin (380 − 2 ∗ 1,7)
30 + 1,5 ∗ Dmin ®
Dmin = 0,31
O valor da densidade de fluxo suportado pelo núcleo Bmax foi estipulado com
38
a observação da curva BxH do núcleo de ferrite, escolhido um pouco abaixo do
“joelho” da curva para compensar o efeito do enrolamento de desmagnetização,
obtendo o valor de 0,3T. Para não ocorrer a saturação momentânea do núcleo do
transformador, foi calculado a equação 13 para que o valor de Bt atenda a
característica de transitório da tensão de entrada, de 260 a 380V. Resultando na
seguinte expressão:
Bt= Vimin
VimaxBmax =
260
380 0,3 ®
Bt= 0,205 T
Com a equação 12 encontrou-se o valor para o valor do Apt do transformador.
Apt= �2,65 x 300 x 10�
397 x 0,205 x 100k�
�,���
= 0,9723cm �
Onde o valor de Kj utilizado foi de 397, pois esse é o valor correspondente
para o um acréscimo de temperatura de 30ºC no transformador, aplicado na
equação 7. O valor da frequência de chaveamento Fs tem valor conforme os
parâmetros de projeto, presentes no quadro 2. A potência Ps é encontrada pela
corrente e tensão de saída, 300W, também vistos no quadro 2.
De posse do valor de Apt pode-se escolher o núcleo de ferrite a ser utilizado.
O núcleo escolhido foi o EE42/21/15, pois atende o Apt calculado e ainda permite
que seja executado o transformador com menos espiras em relação a utilização de
um núcleo de ferrite menor. O valor do Ap do núcleo EE42/21/15 pode ser obtido
pela figura A.1 no anexo, o valor é igual a 4,63 cm �.
O número de espiras no primário e secundário são expostos a seguir
utilizando a equação 14 e a relação de espiras, N.
N1 = ���� � �,��
���∗���� � �,��� � ����� = 31,5 espiras
N2 = 8,5 espiras
39
onde Ae pode ser visto no anexo, na figura A.1 e tem valor de 181mm �,
Dmax e Fs encontram-se no quadro 2 e Bt é o valor calculado.
A densidade de corrente para o transformador é obtido pela equação 8,
desenvolvida abaixo:
J�� = Kj Ap���� = 397 ∗ 4,63��,�� = 330,31 A/cm �
o valor da indutância do primário é dado pela equação 9 que é substituída
com o valor do fator de indutância A�, encontrado na figura A.1 do anexo.
L� = A� N1� = 4,1 ∗ 10�� ∗ 31.5� = 4,068 mH
L� = A� N2� = 4,1 ∗ 10�� ∗ 8,5� = 296,23 uH
Para encontrar a corrente magnetizante do núcleo, a seguir está descrito a
equação 15 resolvida.
I�� = Dmax Vimax
L� Fs=
0,45 ∗ 380
4,068 ∗ 10�� ∗ 100 ∗ 10� = 420,35mA
A partir da I�� calculada encontra-se o seu valor RMS pela equação 16:
I����� = I�� �Dmax
3= 420,35 ∗ 10�� ∗ �
0,45
3= 0,16 A
Somando a corrente RMS da magnetização do núcleo com a corrente RMS
do secundário, advinda da equação 18, dividida pela relação de espiras N, obtém-
se:
I����� = � �I� √D
N�
�
+ �I�������
= � �10�0,45
3,76�
�
+ (0,16)� = 1,79 A
também pela equação 18:
I����� = I� √D = 6,71 A
A área de cobre necessária para os condutores das espiras de N1 e N2 do
40
transformador são obtidos com a equação 19.
A�� = I�����
J��= 0,0054 cm �
A�� = I�����
J��= 0,0203 cm �
3.3.2 Projeto do indutor
O valor de indutância mínima necessária é calculado abaixo através da
equação 4.
L ≥D��� (1 − D���)Vimax
2 Iomin Fs N=
0,31 ∗ (1 − 0,31) ∗ 380
2 ∗ 1 ∗ 100 ∗ 10� 3,76= 108,09 ∗ 10�� ®
L ≥ 108,09 mH
A energia acumulado no indutor, explicita pela equação 5:
E� =1
2 L(I� + I���� )
� = 6655mJ
A seguir será desenvolvida a equação 6 para encontrar o núcleo de ferrite
necessário para o indutor:
Ap = �2 E 10�
K� K� B����
�,���
= �2 ∗ 6,66 ∗ 10�� ∗ 10�
0,4 ∗ 397 ∗ 0,3�
�,���
= 3,22 cm �
O valor encontrado corresponde para o núcleo EE42/21/15 o mesmo que
utilizado para o transformador, sua energia máxima com gap é de 9648uJ. A sua
área efetiva é de 181 mm � e a densidade de corrente J, é a mesma que a calculada
para o transformador. O valor do fator de indutância A�, é realizado através da
equação 10 e exposto a seguir.
41
A� = � Ae � B��� �
2 E�
�,���
= �181� ∗ 10��� ∗ 0,3�
2 ∗ 6,66 ∗ 10���
�,���
= 221,5 nH/esp �
O entreferro para o indutor é dado pela equação 11 :
G = m
� A�
2 A�= �
181 ∗ 10�� ∗ 4 ∗ p ∗ 10��
2 ∗ 221,5 ∗ 10��� = 0,51 mm
o número de espiras a ser realizado no núcleo segue a equação 9:
N� = �L
A�= �
110 ∗ 10��
221,5 ∗ 10��= 22,3 espiras
a área de cobre para o condutor do enrolamento é mostrado a seguir
utilizando a equação 19.
A� = I����
J�= 0,0303 cm �
O indutor calculado deve ser conectado em uma placa modular 5x6
conforme a Figura 21, essa placa será conectada após a placa de chaves que é
explicada no item 3.4.
Figura 21 – Placa modular para os indutores com o indutor projetado
conectado.
Fonte: o autor
42
3.3.3 Projeto do capacitor
O capacitor base para cálculos foi escolhido de 1000mF/ 50V que possui
resistência série equivalente RSE igual a 0,17 . Através da equação 20 encontra-
se o número de capacitores necessários com valor de variação da tensão de saída
V� igual a 0,6 V.
V� =D���(1 − D���)V����
8 L n C Fs� N+
(1 − D���)L ( I�)�
D��� n C V� + 2I����
RSE
n + I�
RSE
n ®
0,6 =0,31 x (0,69) x 380
8 x 110m x n x 1m x 100k� x 3,76+
(0,55) x 110m (9)�
0,45 x n x 1m x 30 + 2 x 1
0,17
n + 9
0,17
n
Explicitando a variável n no cálculo acima obtem-se o valor de n = 3,71, logo
o número de capacitores para atender a necessidade do projeto é 4.
3.3.4 Projeto dos semicondutores
As correntes e tensões máximas incidentes nos semicondutores estão
explícitos nos cálculos a seguir com intuito de escolher os diodos e transistores que
suportem as características de funcionamento do circuito.
A corrente média nas chaves, I�����, é calculada pela equação 21, a qual
está desenvolvida na seguinte expressão:
I����� =I�
ND + I������ =
10
3,780,45 + 0,09 = 1,28 A
A corrente de pico nas chaves é dada pela equação 22.
I������ =I� + I� ���
N+ I�� =
11
3,78+ 0,418 = 3,32 A
Para encontrar a tensão máxima que os transistores estarão submetidos,
considera-se a tensão da fonte V���� e a tensão dos diodos V�, resultando na tensão
43
de 383,4 V, conforme a equação 32.
Os cálculos das correntes nos diodos estão expostos a seguir, seguindo as
equações 23 a 28 da fundamentação teórica.
I����� = I����� = I������ = 0,09 A
I������ = I������ = I��� = 0,42 A
I����� = I�D = 4,5 A
I������ = I���� + I���� = 11 A
I����� = I�(1 − D) = 5,5 A
I������ = I���� + I���� = 11 A
As tensões máximas nos diodos estão explícitos abaixo, com os cálculos
realizados seguindo as equações 29 a 31 do capítulo 2.
V����� =V���� + 2 V��
N = 100,6 V
V����� =V���� − 2 V��
N− V�� = 99,5 V
V����� = V����� = V���� − V�� = 378 V
44
3.4 MATRIZ DE CONEXÕES
A matriz de conexões tem o intuito de ser alterada conforme o projeto a ser
executado, para que isso ocorra, a placa foi planejada com uma arquitetura que
permite a alteração do circuito de chaveamento e dos componentes ligados à placa,
como transistores, transformadores e diodos. A Figura 22 mostra o projeto dessa
placa, onde as ligações entre rebites são realizadas por barras de alumínio,
conectados por parafusos aos rebites. Essa placa tem funcionamento semelhante ao
que ocorre em uma matriz de montagem de circuitos, protoboard.
Figura 22 – Matriz de conexões projetada.
Fonte: o autor
A matriz de conexões tem tamanho modular de 9x5 rebites, o que
corresponde a uma placa de 132x72mm. Para entrada e saída da corrente são
utilizadas as trilhas que cruzam a placa e são ligadas aos rebites P1 a P10. Os
outros rebites que formam a matriz de ligações, formadas por colunas e linhas, são
responsáveis por conectar os dispositivos e sinais necessários para a realização do
circuito de desejado.
Essa placa possui bornes parafusáveis para encaixe dos transistores e
diodos, além disso, as ligações são executadas com barras que permitem a
alteração do tipo de circuito. Conforme outros módulos, essa placa também possui
pontos de aferição de sinais, que são oito terminais na lateral da placa, vistos na
lateral inferior da Figura 22.
45
3.5 O RETIFICADOR MODULAR
O projeto do retificador de entrada está exposto na Figura 23. Esse circuito
possui a característica de possuir entrada de tensão 220VCA e 127VCA. A partir da
entrada de tensão o circuito é alterado para funcionar como dobrador ou como ponte
completa, conforme o exposto no capítulo 2. Essa alteração de dobrador ou ponte
completa pode ser realizada pelo RELE2 ou pela chave de duas posições em
paralelo. Foram colocadas resistências de liga de constantan para aferir sinais em
alguns pontos do circuito, conectados aos conectores CN3 e CN7. O RELE1 tem a
função de passar a corrente de partida do circuito pelos resistores de amortecimento
da carga dos capacitores de filtragem, limitando a corrente de rush do circuito. Esse
relé pode ser acionado por sinal externo para desviar o circuito dos resistores de
limitação de corrente. Além da filtragem da ondulação de frequência da rede e da
retificação, existe a filtragem de ruídos de altas frequência efetuados pelos
capacitores Cx e Cy.
A retificação da onda senoidal de entrada é feita com o Circuito integrado
TU808 que possui capacidade de corrente média retificada de 8 amperes e tensão
reversa RMS de 560V. Esse dispositivo possui uma ponte de diodos interno, o qual é
é ligado ao circuito da mesma forma que os diodos D1 a D4 da figura 4, no capítulo
2.
Figura 23 – Circuito esquemático do retificador de entrada.
Fonte: o autor
46
3.5.1 O filtro capacitivo de entrada
Os capacitores de entrada são projetados conforme a equação exposta no
capítulo de fundamentação teórica. Para realizar o cálculo é analisado o circuito do
retificador de entrada e seu valores de funcionamento pelo expresso no quadro 2.
Para entrada 220VCA, considerando a condição de pior caso para o cálculo
dos capacitores que assegurem o ripple de 10%, a tensão de entrada é de 198VCA
para variação de 10% na entrada alternada. Isso resulta em uma tensão máxima,
V�, de 278V após os diodos com queda de 1V. Essa tensão pode variar com ripple
de 10% até o valor mínimo de tensão, V�, de 252V.
A potência de entrada é inferida com uso da potencia de saída de 300W,
estimando uma eficiência da doente de 90%. Com isso, tem-se que a potência de
entrada, Pe, é igual a 333,3W.
Utilizando-se dos valores obtidos acima, encontra-se o valor da capacitância,
C, pela equação 1, sabendo que essa retificação ocasiona uma componente
alternada nos capacitores de filtragem de frequência, f, de 120Hz.
C = 333,3
60(280� − 252�) = 372,92 mF
Implicando em dois capacitores com mínimo de 750 mF.
No caso da entrada 127VCA, utilizando o mesmo método de pior caso de
entrada, obtém-se os valores numéricos substituídos na equação 1, expresso a
abaixo.
C = 333,3
60(162� − 145�) = 1064 mF
O resultado da expressão acima mostra que para entrada de 127VCA
dobradora a capacitância deve ser maior, então os capacitores a serem utilizados
devem ser de 1100 mF.
47
3.6 O CONVERSOR CA/CC COM CONSTRUÇÃO MODULAR
O projeto do conversor CA/CC é realizado pela união dos projetos dos
módulos descritos nos itens de 3.1 até 3.5. Esse módulos são conectados para obter
o conversor de corrente contínua para alternada, a forma de montagem dos módulos
está exposto na Figura 24.
Figura 24 – Projeto 3D da arquitetura de montagem modular do conversor CA/CC.
Fonte: o autor.
Nessa Figura 24 os circuitos modulares estão montados na bancada de
encaixe modular. Os blocos são ligados por barras metálicas e a sua fixação na
bancada ocorre com parafusos. A configuração de ligação dos módulos realizada
permite que uma tensão alternante de entrada com valores de 127VCA ou 220VCA
possa ser retificada e adequada para 30VCC na saída.
O primeiro módulo é um retificador onda completa ou dobrador, que recebe as
tensões alternadas e resulta em tensões de saída em valores próximos a 310VCC e
350VDC. Por meio do filtro 1 ocorre a remoção, quase completa, das componentes
48
CA remanescentes da retificação. Após essa filtragem obtém-se um sinal contínuo
na saída do filtro 1, com valor próximo ao pico das tensões alternadas de entrada.
A partir dessa tensão contínua é feito o ajuste da tensão de saída através do
conversor CC/CC, montado com as placas modulares: matriz de conexões, placa do
indutor e a placa dos capacitores, filtro 2 na Figura 24. Esse conversor permite que
uma tensão contínua de entrada de 260VCC a 380VCC possa ter saída adequada
para 30VCC.
3.6.1 Configuração das ligações na matriz de conexões
O conversor CC/CC é realizado com a matriz de conexões, que funciona
como um protoboard para ligação dos semicondutores e outros componentes. O
esquema da conversão CA/CC é exposto na Figura 25. Nessa mesma figura, estão
numerados os nós do circuito do conversor forward com duas chaves. Este esquema
de representação tem o objetivo de auxiliar a realização das ligações físicas, por
barras metálicas, parafusos na placa de chaves.
Figura 25 – Diagrama de ligações da placa de chaves com os demais módulos para realização do conversor CA/CC.
Fonte: o autor.
Os mesmos números estão representados na Figura 26 facilitando a
comparação para montagem dos componentes.
O modelo da Figura 26 mostra as barras ligadas aos rebites por meio de
parafusos para formação do circuito. Na parte superior da placa, estão
49
representados os transistores T1 e T2 e os diodos D3 e D4, conforme a
nomenclatura do circuito da Figura 25.
Essa placa conecta-se com o filtro 1 por meio do rebites e barras metálicas
pelo lado esquerdo da placa, mesmo lado que estão os transistores. Na saída da
placa, lado que estão os diodos D3 e D4, é ligada a placa do indutor.
Figura 26 – Esquema em 3D das ligações das barras para confecção do conversor forward com dois transistores.
Fonte: o autor.
A forma de montagem do transformador e os demais componentes na placa
está demonstrada da Figura 27. O transformador é conectado nos rebites por
parafusos que estão sob ele. Os transistores 1 e 2 e os diodos 3 e 4 possuem
dissipadores de alumínio conectados a eles.
Por meio de um conector mostrado na Figura 27a é alimentado a placa de
drivers. Essa placa está indicada na Figura 27b, ela está encaixada verticalmente na
matriz de conexões e realiza os acionamentos dos transistores T1 e T2. Esses
acionamentos podem ser alterados com os pinos de jumper que tem a função de
permitir que os pinos de gate e source invertam a ligação com a placa de driver.
50
Figura 27 – Visualizações em 3D da montagem da matriz de conexões para realização do conversor forward com duas chaves. a) vista direita da placa b) vista esquerda da placa.
Fonte: o autor
51
3.7 CONCLUSÃO
Os projetos do módulos foram realizados por etapas que tinham o objetivo de
confeccionar as placas eletrônicas dos circuitos dos conversor e, além disso,
compatibilizar os projetos mecânicos para as conexões dos equipamentos na
estrutura de montagem.
Esses processos de compatibilização mecânica com elétrica foram realizados
com auxílio de softwares que permitiram a realização dos projetos com as
dimensões físicas em três dimensões, assim foi possível compatibilizar os diversos
módulos na estrutura de montagem.
Todos os cálculos para dimensionamento dos dispositivos foram realizados
com as equações evidenciadas no capítulo de fundamentação teórica, sendo
substituídos os valores desejados para as grandezas elétricas nas equações e
executado os projetos seguindo os conceitos demonstrados no capítulos 2. Os
valores obtidos, os circuitos esquemáticos, assim como os projetos em 3D estão
demonstrados com intuito de permitir a execução dos projetos, sendo estas
informações expostas de forma sequencial e intuitiva para a implementação do
projeto e comparação dos dados experimentais com os valores projetados.
52
4 EXECUÇÃO DOS PROJETOS E RESULTADOS
4.1 BANCADA DE ENCAIXE MODULAR
Após realizar o projeto da bancada de encaixe dos módulos no software
Solidworks, Figura 12, ela pode ser executada e o resultado da montagem está
exposto na Figura 28.
Ela foi executada conforme o projeto, os furos foram realizados com auxilio de
uma matriz de furação de metal fixada nos oito furos laterais de fixação. Os rebites
metálicos foram encaixados e colados nos furos, esses ficaram separados com
distância de 15mm entre eles.
Ao total foram realizadas oito bancadas de encaixe, elas têm a função de
suportar os módulos eletrônicos a serem interligados. A ligação entre módulos é
realizada com barras de alumínio na parte inferior da bancada e fixadas com
parafusos.
Figura 28 – Bancada para encaixe e conexão dos módulos executados.
Fonte: o autor.
53
4.2 FONTE DE ALIMENTAÇÃO
A fonte de saída 12VCC executada e testada está exposta na Figura 29. A
fonte foi testada com duas tensões de entrada, conforme foi projetado para o seu
funcionamento, tensões de 127VCA e 220VCA.
Figura 29 – Fonte de alimentação de 12VCC executada.
Fonte: o autor.
Um reostato de 1k foi utilizado como carga de teste, esse teve a sua escala
de resistência variada e as correntes e tensões anotadas, estes valores estão nas
Tabelas 1 e 2.
Tabela 1 – Valores da corrente e tensão aferidas durante os testes com a fonte de 12VDC com entrada de tensão de 127VAC.
Carga de teste () Corrente aferida
(mA) Tensão aferida (V)
0 12,10
900 12 12,08
800 14 12,08
700 16 12,08
600 19 12,09
500 24 12,08
54
400 30 12,10
300 39 12,08
200 59 12,02
150 80 11,99
100 117 11,98
Fonte: o autor.
Tabela 2 – Valores da corrente e tensão aferidas durante os testes com a fonte de 12VDC com entrada de tensão de 220VAC.
Carga de teste () Corrente aferida
(mA) Tensão aferida (V)
0 12,10
900 12 12,08
800 14 12,08
700 16 12,08
600 19 12,09
500 24 12,08
400 30 12,10
300 39 12,08
200 59 12,06
150 80 12,02
100 113 11,68
Fonte: o autor.
Pelo testes realizados, conclui-se que a máxima corrente suportada pela fonte
é de 80 mA, pois com uma corrente maior na saída inicia-se uma dissipação de
energia no transformador e uma queda de tensão em seus enrolamentos, isso
implica que a tensão de saída não seja a mesma conforme a nominal especificada
no transformador. Com a tensão de saída do transformador abaixo do nominal o
circuito regulador LM7812 não mantem o nível de tensão de 12VCC na saída da
fonte.
55
4.3 O RETIFICADOR E O FILTRO CAPACITIVO DE ENTRADA
O retificador utilizado para a entrada de tensão alternada de 60Hz foi
desenvolvido utilizando o circuito da Figura 23, esse foi conectado a quatro
capacitores em paralelo do modo que foi projetado e exibido na capítulo 3. A Figura
30 mostra a placa do retificador e do filtro capacitivo encaixados na bancada de
experimentos. A tensão retificada e filtrada está mostrada na Figura 31a e 30b onde
visualiza-se a tensão alternada de entrada de 127,2VCA aferida pelo multímetro e a
tensão contínua de 356VCC no osciloscópio, exposto em 30b.
Figura 30 – Placa de retificação e do filtro de entrada conectados na bancada
experimental.
Fonte: o autor.
56
Figura 31 – Tensão alternada aplicada na entrada do retificador. a) Voltímetro
conectado na entrada e osciloscópio ligado na saída do filtro. b) Tensão contínua de
saída visto no osciloscópio.
Fonte: o autor.
4.4 CONVERSOR CC/CC FORWARD A DOIS TRANSISTORES
4.4.1 Simulação do conversor CC/CC
Após o projeto do conversor forward, pode ser simulado o seu funcionamento
para conferir o dimensionamento dos valores de projeto. A simulação foi feita com o
software PSIM, o circuito utilizado para efetuar a simulação está exposto na Figura
32. O circuito foi configurado com os valores expostos no quadro 2 e nos
dimensionamentos explícitos no item 3.3 respectivo ao projeto do conversor forward.
O tempo para aferição da tensão e corrente na carga de 3 foi escolhido após o
transitório inicial. Com isso, observam-se os valores das grandezas experimentadas
através das Figuras 32 e 33. Nota-se que a tensão de saída para ambas as
simulações, com tensões de entrada de 380V e 260V, é mantida próxima a 30V,
com variações verificadas máximas e mínimas com valores de 30,15V e 29,87V. A
onda de saída varia conforme o período do chaveamento de 100 kHz e não
ultrapassa o valor estipulado de ripple de 2% que corresponde 0,6V na saída.
57
Figura 32 – Circuito realizado para simulação do conversor forward a dois
transistores.
Fonte: o autor.
Figura 33 – Resultado da simulação para entrada de tensão máxima de
380VCC. A corrente de saída é representada por I3 e a tensão de saída por VP2.
Fonte: o autor
58
Figura 34 – Resultado da simulação para entrada de tensão mínima, igual a
260VCC. A corrente de saída é representada por I3 e a tensão de saída por VP2.
Fonte: o autor
A simulação foi realizada sem um circuito de controle realimentado e o valor
de overshoot verificado na etapa de transitório inicial pode ser verificado pelo gráfico
da Figura 35. A tensão constada verificada é de 46,63 V, isso pode ser minimizado
implementando uma partida suave no circuito de controle e com a realimentação da
tensão de saída. O tempo para estabilizar a tensão e corrente foi verificado com
valor de 16ms pela observação da onda no gráfico gerado.
59
Figura 35 – Resultado da simulação para entrada de tensão máxima de 380V
para o visualização da tensão máxima de overshoot no transitório de partida.
Fonte: o autor
4.4.2 A matriz de conexões
A matriz de conexões executada está demonstrada na Figura 36, onde é visto
as trilhas com sobreposição de estanho para aumentar a capacidade de corrente. As
posições para colocar os transistores e diodos estão com bornes parafusáveis que
permitem a alteração dos dispositivos facilmente.
Nessa placa foi feito um recorte nas trilhas, no seu centro, com intuito de
isolar a parte primária do transformador do secundário. Em cima dessa placa é
conectado o transformador de ferrite, portanto as trilhas do lado esquerdo não
devem ser ligadas com as trilhas do lado direito. No lado inferior da placa, observa-
se conectores que permitem a ligação da placa de drivers e a alimentação pela fonte
de 12VCC.
Os transistores de chaveamento do conversor CC-CC e também os diodos de
retificação do secundário do transformador são conectados a essa placa utilizando
parafusos. A montagem dos componentes está exposta na Figura 37, que mostra a
forma de montagem dos componentes e a forma compacta que ela foi montada,
essa montagem compacta prejudica a facilidade de manutenção e execução da
montagem. Pode-se ver que a placa de driver foi conectada com êxito na placa de
chaves. A alimentação da placa de drivers é efetuada pela placa da matriz de
60
conexões, que recebe alimentação da fonte modular de 12VCC.
Figura 36 – Matriz de conexões executada.
Fonte: o autor
Figura 37 – Matriz de conexões com os componentes conectados para
formação do conversor forward.
Fonte: o autor
Os transistores utilizados são o IRFP460 que é um mosfet de canal N que
suporta tensões entre drain e source de 500V, corrente em regime de 20A e picos
repetitivos de 80A, sob temperatura de 25ºC. Essas características satisfazem os
requisitos para o conversor projetado.
61
Os diodos D1 e D2 utilizados são os UF5404 que suportam a corrente do
primário calculada. Para os diodos D3 e D4 foram conectados os diodos com
encapsulamento TO-220 de modelo MUR815 que suporta tensões de 150V, corrente
de 8A médio e repetitivo de 16A.
O transformador foi enrolado com fios 22awg que possui área transversal de
0,33���. Portanto, para o enrolamento primário foram utilizados 2 fios trançados e
para o secundário foram trançados 7 fios. Esses foram enrolados no carretel do
núcleo de ferrite EE41/21/15 e soldados terminais nas quatro extremidades dos
enrolamentos para conexão na matriz de conexões, que foi conectado por cima da
placa, como mostrado na Figura 37.
4.4.3 O indutor e o filtro capacitivo de saída
O indutor foi executado com os materiais especificados no projeto e com o
mesmo número de espiras calculadas. A Figura 38 mostra o indutor com o seu valor
de indutância aferida, obtendo um valor de 117,17 mH, valor esse que atende o valor
de indutância mínima especificada no projeto.
Figura 38 – Valor da indutância aferida.
Fonte: o autor
Os capacitores de filtragem de saída utilizados são de 1000mF/63V, valor de
capacitância próximo ao estipulado no projeto. Os capacitores foram soldados na
plca de filtragem de saída e conectada com a placa de indutor, sobre a bancada
experimental, Figura 39.
62
Figura 39 – Placa do indutor e capacitor acoplados na banca experimental.
Fonte: o autor
4.4.4 O circuito de controle
Para gerar o controle de transferência de energia no conversor CC/CC foi
utilizado o controle por PWM gerado pelo circuito exposto na Figura 40. O circuito
integrado é o LM3524, o qual possui um oscilador que gera uma onda dente de
serra de frequência variável, alterada pelos valores de RC ligados aos pinos 6 e 7
do CI.
Figura 40 – Circuito esquemático interno do circuito integrado LM3524.
Fonte: Texas Instruments
Com uma tensão de referência de 5 VCC, obtida através da saída de tensão
no pino 16 do CI e ajustada por um potenciômetro ligado ao pino 9, pode ser
63
regulado o ciclo de trabalho da onda de saída, isto é, o comparador do CI coloca a
sua saída em 0V ou em 12V conforme a tensão no pino 9 é ajustada.
O sinal com ciclo de trabalho controlado é ligado no conector da matriz de
conexões, que redistribui esse sinal para a placa de driver. A placa de driver aciona
os pinos de gate e source dos transistores T1 e T2.
4.5 MONTAGEM DA ESTRUTURA MODULAR DO CONVERSOR CA/CC
Com os projetos dos módulos que foram projetados, executados e testados,
pode-se unir os módulos para realizar a conversão CA/CC. Os módulos seguiram a
montagem 3D projetada e mostrada na Figura 24. Essa montagem foi realizada com
o encaixe de barras metálicas parafusadas no lado inferior da bancada, que tiveram
a função de ligar um módulo com o outro eletricamente. A montagem está exposta
na Figura 41.
Figura 41 – Montagem modular executada para realizar a conversão CA/CC.
Fonte: o autor
As ligações do circuito de controle com a placa de chaveamentos foi
executada com os cabos que alimentaram com 12VCC e os sinais do ciclo de
trabalho D1 e D2 para a placa de driver.
O primeiro teste realizado foi a verificação do sentido das correntes do
primário e secundário do transformador.
64
Figura 42 – Teste para verificação da fase do primário e secundário.
Fonte: o autor
Outro teste que antecedeu a inserção de tensão na entrada do conversor foi a
verificação do sinais de acionamentos do transistores advindos da placa de driver,
exposto na Figura 43.
Figura 43 – Sinais nos gates dos transistores T1 e T2.
Fonte: o autor
Nota-se que os sinais estão em fase para acionamento conjunto dos dois
transistores. Com esses testes realizados foi colocado um variac para variar a
tensão alternada de entrada no retificador, também inseriu-se um amperímetro na
entrada de alimentação e um voltímetro foi conectado na entrada do conversor, dois
osciloscópios foram utilizados para conferir sinais com referências distintas, no
primário do transformador e secundário, como carga de testes foi colocado um
reostato de 50. A Figura 44 mostra os testes sendo realizados com esses
equipamentos.
65
Figura 44 – Sinal de entrada, sinal retificado na saída do transformador e
valor de tensão contínua na carga.
Fonte: o autor
Nessa Figura 44 a entrada de tensão CC aferida pelo osciloscópio é de
259VCC, o outro osciloscópio tem pulsos quadrados com ciclo de tarefa de 28 e
tensão próxima de 80V. Com a Figura 45 abaixo, pode-se verificar as formas de
onda no secundário do transformador, na saída do conversor CC-CC.
Figura 45 – Sinais na da matriz de conexões com tensão de 260VCC na
entrada. a) sinal secundário do transformador; b) secundário do transformador
retificado.
Fonte: o autor
66
Utilizando essas formas de ondas aferidas e o valor de tensão do multímetro
pode ser verificado a coerência do projeto do transformador e a sua relação de
espiras com os valores obtidos experimentalmente. O valor de 20,6VCC na carga é
correspondente a 28% do ciclo de trabalho, o que resulta na tensão dos pulsos
quadrados retificados, como demonstrado abaixo.
V�������
20,60
0,28= 73V
A relação de espiras, N, é dada pela seguinte expressão:
N =260
73= 3,56
esse valor de relação de espiras está próximo ao especificado em projeto,
que é 3,76. Com isso para ajustar o valor de tensão na carga o ciclo de trabalho
máximo será de 0,41 para que a tensão esteja regulada em 30VCC.
A Figura 45b) mostra a forma de onda que está alimentando o indutor,
assim pode-se inferir que o conversor está operando no modo contínuo, pois a forma
de onda da tensão deve ser de pulsos quadrados diante do conhecimento que a
corrente no indutor em modo contínuo é uma rampa linear, conforme explicado no
capítulo de fundamentação teórica. Isto é concluído devido ao conhecimento que o
indutor possui a tensão formada pela variação temporal da corrente em seu
enrolamento, então com o processo matemático contrário a variação da tensão, tem-
se uma rampa crescente e descrescente para a corrente que percorre o indutor.
Com uma tensão de 223VCC na entrada do conversor e um ciclo de trabalho
próximo a 50 o valor da tensão na carga atingiu 29,5V, o que pode ser constatado
na Figura 46. Essas informações evidenciam que as alterações de tensão na
entrada do conversor podem ser compensadas pelo controle PWM aplicado aos
transistores.
O sinal de tensão na saída foi aferido para verificar se estavam ocorrendo
oscilações de alta amplitude na tensão de saída, o que não foi constatado pela
observação, este sinal está mostrado na Figura 46.
67
Figura 46 – Sinal de entrada, sinal no secundário do transformador e o valor
de tensão contínua na carga.
Fonte: o autor
Figura 47 – Sinal de tensão na carga para uma tensão de 223V e ciclo de
trabalho de 28.
Fonte: o autor
As formas de onda e o controle da tensão estavam coerentes com a teoria
das as fontes literárias, entretanto, oscilações indesejadas no circuito de controle,
causadas por ruídos eletromagnéticos do chaveamento dos transistores impediram a
aplicação de tensões maiores para testar os valores de projeto, que seriam de até
380VCC na entrada do conversor CC-CC. Durante o aumento da tensão aplicada
pelo variac iniciavam-se ruídos audíveis das falhas de chaveamento, a corrente
observada no amperímetro ligado à entrada aumentava de forma desproporcional ao
estágio de elevação de tensão anterior aos ruídos.
Com intuito de identificar essas falhas foram conectados os osciloscópios no
sinal de gate de um transistor e no secundário do transformador, como mostra a
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Figura 48.
Figura 48 – Sinais no gate do transistor no osciloscópio à esquerda e no
secundário do transformador à direita
Fonte: o autor
Nota-se que as oscilações indesejadas são ocorrentes no sinal do gate do
transistor, portanto essa característica prejudica o correto funcionamento do
transformador. Esses ruídos devem ser eliminados para que o controle do sinal do
gates seja estável.
Ainda foi colhido a forma de onda no transistor para comparar com o exposto
na literatura, Figura 49.
Figura 49 – Sinal da forma de onda da tensão no transistor T1.
Fonte: o autor
Pelo exposto na Figura 49, a tensão entre drain e source é mínima quando o
transistor está conduzindo, logo após, quando os transistores são desligados a
tensão é máxima, causado pela tensão que surge no primário do trafo para sua
desmagnetização. Logo após a desmagnetização a tensão é dada pela diferença de
potencial entre drain e source sem o circuito estar com os transistores ou diodos
conduzindo.
69
4.6 CONCLUSÃO
Com os equipamentos executados pode-se testar o funcionamento individual
de cada módulo, o que demonstrou que estavam corretamente projetados. Os
módulos possibilitaram o encaixe na bancada modular e as conexões elétricas entre
eles foi efetuada corretamente. A montagem do conversor CA/CC pode ser realizada
e os testes demonstraram que os ruídos de interferência eletromagnética gerados
pela coversão CC/CC, que utiliza 100kHz de chaveamento, prejudicavam o
funcionamento do conversor. Acima de determinado valores de corrente circulante
na matriz de conexões o chaveamento dos gates dos transistores ocorrem de forma
não desejada, o que impede de aumentar a tensão de entrada no conversor CC/CC.
70
5 CONCLUSÕES
Assim como o sistema modular planejado a execução dos projetos foi
realizada por etapas, os módulos foram desenvolvidos após os projetos estarem
terminados. Os encaixes mecânicos foram bem projetados e resultaram na correta
montagem dos blocos com a bancada experimental e com os outros módulos. Os
circuitos projetados sofreram alterações da arquitetura e das características
elétricas, como é o caso da fonte de 12VCC que possuía uma limitação de corrente
menor que a atual, a qual foi suficiente para acionar os drivers e circuito de controle.
Os outros módulos não sofreram alterações, mas sim um processo de
experimentação para que cada um forneça os valores corretos, isso foi realizado
com todos os módulos, por meio de testes dos sinais e possíveis falhas. A placa de
driver teve os seus sinais analisados e testados, o retificador com filtro foi verificado
e constatado que o mesmo não poderia ser ligado sem uma resistência limitante da
corrente de rush, a fonte de tensão VCC passou por testes de fornecimento de
corrente, a matriz de conexões foi testada previamente por verificação de
continuidade e polarização dos diodos. Esse processo de testes mostrou que os
módulos projetados e executados estavam corretos.
Mesmo com o funcionamento correto, o módulo da matriz de chaveamentos
possui limitação no que se refere a forma física como foi projetada e executada. Ela
foi realizada de forma muito compacta, prejudicando a manutenção e o
procedimento de montagem dos experimentos e também deixando pouco espaço de
isolação entre os condutores e aumentando a possibilidade de curto-circuito. Os
conectores e terminais utilizados devem ser ajustados no projeto com a finalidade de
obter uma maior resistência a esforços mecânicos, pois, o objetivo destes módulos é
a possibilidade de alteração, então o processo de montagem, desmontagem e
também de testes ocorrerá em vários momentos pelos usuários e os conectores e as
trilhas executadas não suportaram os esforços mecânicos desses procedimentos.
Quanto a todos os módulos, esses poderiam receber alterações que
permitissem isolar as partes condutoras para que não exista uma fácil possibilidade
de curto entre potenciais distintos e o choque elétrico em quem utilizar o
equipamento, visto que as tensões de operação podem atingir valores altos quando
comparados ao operados nos laboratórios da graduação.
A operação do conversor CA-CC não resultou no especificado no projeto,
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mesmo com todos os módulos terminados e testados, somente com a operação e
teste completo do sistema pode-se notar que para tensões elevadas chaveadas os
elementos capacitivos e indutivos intrínsecos ao conversor CC-CC resultaram em
ruídos incidentes no controle do sinal dos transistores que, até o momento, não
foram solucionados. As formas de onda e o controle da tensão na carga se comporta
como foi evidenciado na fundamentação teórica, porém com limitação de tensão
testes de 250VCC na entrada da placa de matriz de conexões.
Para funcionamento completo e conforme as tensões estipuladas no projeto,
devem ser extintos as oscilações que ocorrem no circuito de controle e no
chaveamento dos transistores.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BARBI, I. Eletrônica de Potência: Projetos de Fontes Chaveadas. Florianópolis: Ed. do autor, 2001. CARMO, M. J., COSTA, I. A., MACHADO, P. C. F. . Laboratório Desenvolvimento de Laboratório Modular para Aprimoramento de competências e Habilidades em Eletrônica de Potência. XL Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia, Belém, 2012. DOS REIS, Fernando Soare, et al., Laboratório de Ensino da Eletrônica de Potência - Uma Experiência Construída Para e Pelos Estudantes, V Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência - COBEP'99, pp 773 - 778, 1999, Foz do Iguaçu. ERICSEN, T., TUCKER, A., Power Electronics Building Blocks and Potential Power Modulator Applications. Registro IEEE do Vigésimo Terceiro Simpósio Internacional de Energia Modulada, 1998, pp. 12–15. HART, D. W. Power Electronics. 1ed. New York: McGraw-Hill. 2011. KAZIMIERCZUK, Marian, “High-frequency magnetic components”, John Wiley & Sons LTD, 2ed. Chichester, U. K., 2014 MELLO, Luiz Fernando Pereira de. Projetos de Fontes Chaveadas. São Paulo: Érica, 1986. POMILIO, José Antenor. Fontes Chaveadas. FEEC, 1995. Disponível em: http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/fontchav.html, acesso em: 11 de novembro de 2017. ROLIM, L.G.B., Laboratório Modular de Eletrônica de Potência, Tese, COPPE/UFRJ, 1993. TREVISO, C. H. G. Apostila: Eletrônica de Potência. Universidade Estadual de Londrina, Londrina - PR, 2016.