UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARANPR

INVERSOR MEIA PONTE

AGOSTO DE 2008

UNIVERSIDADE TECNOLGICA FEDERAL DO PARAN Ministrio da Educao Departamento Acadmico de Eletrotcnica Disciplina de Projeto de Fontes Chaveadas

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SUMRIO

1 INTRODUO ........................................................................................................................................ 3

2 OBJETIVO ............................................................................................................................................... 3

3 INTRODUO AO INVERSOR MEIA PONTE................................................................................. 3

4 O INVERSOR DO PROJETO ................................................................................................................ 6

5 ESPECIFICAO DO PROJETO ........................................................................................................ 6

6 DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES ................................................................................. 7

6.1 DADOS PARA A CONSTRUO DO INDUTOR................................................................... 7 6.1.1 Nmero de Espiras ................................................................................................................. 8 6.1.2 Clculo do Entreferro ............................................................................................................ 8 6.1.3 Anlise da Bitola pelo Critrio da Densidade de Corrente ............................................. 8 6.1.4 Anlise da Bitola pelo Critrio do Efeito Pelicular .......................................................... 9 6.1.5 Viabilidade da Construo .................................................................................................... 9

6.2 CIRCUITO OSCILADOR ........................................................................................................... 10 6.3 CAPACITOR DE ENTRADA..................................................................................................... 10 6.4 DIODOS DE ENTRADA............................................................................................................. 11 6.5 PARTIDA SUAVE........................................................................................................................ 11 6.6 RESISTORES DE ALIMENTAO DOS CIS..................................................................... 12 6.7 POTENCIMETRO DE AJUSTE DA RAZO CCLICA ................................................... 12 6.8 MOSFETS...................................................................................................................................... 13 6.9 IR 2112............................................................................................................................................ 13 6.10 CIRCUITO DE ALIMENTAO DO CONTROLE.......................................................... 14 6.11 CIRCUITO DE SINALIZAO............................................................................................ 14 6.12 CIRCUITO DE CARGA .......................................................................................................... 14

7 LMPADA FLUORESCENTE ............................................................................................................ 14

8 REFERNCIAS ..................................................................................................................................... 15

9 RELAO DE MATERIAIS................................................................................................................ 15

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1 INTRODUO

Os inversores so tambm conhecidos como conversores CC-CA. A funo de um inversor a de converter a tenso de entrada CC em uma tenso de sada CA simtrica de amplitude e freqncia desejadas. Esta tenso tem magnitude e freqncia controlada por meio de dispositivos semicondutores. A tenso de sada pode ser fixa ou varivel e com freqncia fixa ou varivel.

Considerando que a entrada de tenso fixa, para se obter uma tenso varivel na sada, tem-se que variar o ganho do inversor, atravs de um modulador PWM.

Embora a entrada de um inversor seja uma tenso contnua, esta mesma tenso c.c. , normalmente, obtida atravs da retificao da tenso alternada da rede.

2 OBJETIVO

Este documento tem o objetivo de mostrar, passo a passo, como se implementar um inversor meia ponte para fornecer nveis adequados de alimentao para uma lmpada fluorescente de 20W. O inversor funcionar como reator eletrnico, alimentando a lmpada em alta freqncia. Para isto, utiliza-se o controlador (circuito integrado) PWM UC3525 junto com o circuito de comando (driver) IR2112.

Maiores detalhes sobre este assunto podem ser obtidos na dissertao de mestrado do professor Jair Urbanetz Junior.

3 INTRODUO AO INVERSOR MEIA PONTE

O inversor adotado neste circuito o meia ponte simtrico. Trata-se de uma estrutura simples e totalmente adaptada aplicao em questo. O funcionamento do inversor ser descrito atravs das suas etapas de operao.

Primeira etapa: (t0 , t1)

O interruptor S1, que j estava habilitado a conduzir, entra em conduo no instante t0, sob tenso e corrente nulas. A corrente evolui at o instante t1, quando o interruptor comandado a bloquear.

Segunda etapa: (t1 , t2)

No instante t1 o diodo D2 entra em conduo assumindo a corrente do circuito. A corrente mantm o mesmo sentido da etapa anterior, porm decresce at zero no instante t2. Durante esta etapa o interruptor S2 habilitado a conduzir.

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PRIMEIRA ETAPA DE OPERAO

SEGUNDA ETAPA DE OPERAO

Terceira etapa: (t2 , t3)

Esta etapa inicia com a entrada em conduo do interruptor S2, no instante t2. A entrada em conduo ocorre com tenso e corrente nulas. A corrente evolui com sentido contrrio ao das duas etapas anteriores. O trmino desta etapa ocorre no instante t3, quando o interruptor comandado a bloquear.

Quarta etapa: (t3 , t4)

No instante t3, o diodo D1 entra em conduo assumindo a corrente do circuito. A corrente mantm o mesmo sentido da etapa anterior, porm decresce at zero no instante t4. Durante esta etapa o interruptor S1 habilitado a conduzir. Aps o instante t4, retorna-se primeira etapa, iniciando-se outro ciclo de operao.

Os interruptores utilizados no circuito so Mosfets, sendo que estes dispositivos possuem um diodo interno entre o dreno e a fonte, possibilitando o funcionamento da estrutura conforme apresentado.

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TERCEIRA ETAPA DE OPERAO

QUARTA ETAPA DE OPERAO

Filtro ressonante LCC

O filtro ressonante propicia o aparecimento da tenso de ignio durante a partida da lmpada. responsvel, ainda, por aplicar sobre a mesma uma tenso senoidal durante a operao normal.

O filtro, em conjunto com a lmpada, impe uma caracterstica de carga indutiva para o inversor, possibilitando a comutao suave durante a entrada em conduo dos interruptores. A figura a seguir ilustra a estrutura do filtro.

FILTRO RESSONANTE LCC CONECTADO CARGA

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4 O INVERSOR DO PROJETO

Este projeto apresenta uma das maneiras de converter corrente contnua em alternada, atravs do inversor ressonante meia ponte. Na topologia desse inversor, a tenso sobre as chaves no ultrapassa a tenso do barramento c.c., no entanto, um dos interruptores requer comando isolado da base.

A carga do inversor formada por um indutor, um capacitor paralelo e uma lmpada fluorescente. No entanto, a carga real do circuito a lmpada sendo o indutor e o capacitor constituintes do filtro. O comando do circuito por freqncia imposta e gerado a partir do CI PWM 3525 associado a um CI driver IR2112.

CARGA DO INVERSOR

CIRCUITO DE POTNCIA DO INVERSOR

5 ESPECIFICAO DO PROJETO

Os dados para o desenvolvimento do projeto esto apresentados abaixo: Ondulao de sada do retificador 20% Tempo de partida suave t = 10 ms Tempo no qual nenhum mosfet conduz 500ns Freqncia de comutao 30 kHz

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Tenso de entrada 127V 5% I rendimento do inversor = 90% R rendimento do retificador = 90%

6 DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES

6.1 DADOS PARA A CONSTRUO DO INDUTOR

L Valor da indutncia = 5,5 mH Ipk corrente de pico no indutor = 250 mA Ief corente eficaz no indutor = 200 mA Bmx densidade mxima de fluxo = 0,2 T J densidade de corrente = 350 A /cm2 Kp e kw fatores construtivos kp = 1, kw = 0,7 o permeabilidade magntica do ar = 4..10-7 H/m

Sendo:

PK Fator de utilizao do primrio WK Fator de utilizao da rea do enrolamento

Para escolha do ncleo de ferrite, utiliza-se a seguinte equao:

max

410BJKK

IILAA

wp

efpkWe

=

Sendo:

eA rea da perna central [cm] wA rea da janela do ncleo [cm]

2,03507,01101020010250105,5 4333

=

We AA

40561,0 cmAA We =

Consultando a tabela de Ncleos de Ferrite tipo E, escolhe-se um ncleo de ferrite com valor de we AA . imediatamente acima do encontrado no resultado da equao.

Foi utilizado o ncleo E30/15/7 da THORNTON cujos valores para eA e wA

atendem com folga o resultado da equao:

8

224 8,0,6,0,48,0. cmAcmAcmAA wewe ===

A seguir apresentado um desenho do tipo de ferrite EE que ser usado:

NCLEO DE FERRITE TIPO EE

6.1.1 Nmero de Espiras

Para o clculo do nmero de espiras, utiliza-se a equao a seguir:

1152,06,0

1010250105,510 433

max

4

=

=

=

BAIL

Ne

pk

N = 115 espiras

6.1.2 Clculo do Entreferro

Para o clculo do entreferro, utiliza-se a equao a seguir:

cmL

AN eG 018,0105,5

106,0104115103

27220

2

=

=

=

pi

O valor encontrado para o gap do circuito magntico a soma dos entreferros que o fluxo total tem que percorrer no caminho magntico.

6.1.3 Anlise da Bitola pelo Critrio da Densidade de Corrente

Para o clculo da seo do condutor do enrolamento do indutor necessrio conhecer a corrente eficaz que de 200 mA. A rea mnima da seo transversal do condutor de cobre do enrolamento, de acordo com a capacidade de corrente (densidade de corrente), ser:

9

cmcmJ

IA efcobre 0027,000057,0350

10200 23==

==

O fio 29 AWG, ou outro de maior bitola, contempla essa rea.

6.1.4 Anlise da Bitola pelo Critrio do Efeito Pelicular

Antes de definir qual condutor ser utilizado, deve ser observado ainda o critrio da profundidade de penetrao, devido ao efeito pelicular (skin). O efeito pelicular est relacionado com a freqncia de oscilao da corrente que circula pelo condutor. O projeto do inversor meia ponte especifica uma freqncia de comutao de 30 kHz que exige o uso de condutores de pequeno dimetro.

cmfd 0087,010.301515

3===

Sendo:

d profundidade de penetrao, ou seja, o dimetro mximo do condutor em que se considera que h circulao adequada de corrente.

Em funo do resultado do valor de d , o condutor mximo recomendvel que deve ser utilizado de 19 AWG.

Ento, o critrio da profundidade de penetrao no impede o uso do fio de 29 AWG encontrado pelo critrio da densidade de corrente. Portanto, seria utilizado um fio de bitola 29 AWG mas, como este valor no est disponvel no laboratrio, ser utilizado o fio de bitola 28 AWG cuja rea 0,00081 cm2.

6.1.5 Viabilidade da Construo

A inequao que representa a viabilidade de montagem do indutor a indicada a seguir:

35,0Aw

SESPIRAS

35,08,0

093,08,000081,0115

8,0== FIOAREAESPIRASNUMERO

O resultado da inequao foi 35,012,0 , ento a condio para montagem do indutor foi satisfeita. Se a inequao no fosse satisfeita, o indutor teria de ser reprojetado.

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6.2 CIRCUITO OSCILADOR

A parte do circuito oscilador que externo ao circuito integrado 3525 constitudo das resistncias R6, R7 e R8 e da capacitncia C3.

A freqncia de trabalho do PWM especificada no projeto do inversor de 30kHz. A freqncia nas duas sadas do CI 3525 a metade da freqncia de oscilao, logo, C3 e (R6, R7 + R8) devero ser dimensionados para a freqncia de 60kHz para que a freqncia nas duas sadas seja de 30 kHz.

Ser adotada uma capacitncia de 10F (C3 ou CT na frmula) e uma resistncia de 1 (R6 ou RD na frmula). A resistncia R6 a responsvel pelo tempo morto entre as chaves.

A equao seguinte permite o clculo da resistncia (R7 + R8) em funo dos outros valores arbitrados:

[ ] [ ] =+=+= kRRRRCf TTDTT 37,237,010.10160000

37,01

9

Para se poder fazer ajustes na freqncia associado um potencimetro em srie com uma resistncia fixa. Assim, coloca-se em srie com uma resistncia de 1 k (R8), um trimpot de 4,7 k (R7) para ajuste da freqncia desejada.

6.3 CAPACITOR DE ENTRADA

Para o clculo do capacitor do retificador de entrada (C1), deve-se conhecer a potncia de entrada. A potncia de entrada calculada conhecendo-se a potncia de sada e os rendimentos do retificador e do inversor.

WPPINV

e 22,229,0200

===

Para o clculo da capacitncia, necessrio definir o valor admitido da ondulao (ripple) na tenso retificada. O valor de ondulao foi definido na especificao do projeto e de 20%. Logo, a tenso mnima admitida, sobre o capacitor, de 80% do valor de pico nominal.

A tenso mnima da rede, j definida na especificao do projeto, de 95% da tenso nominal.

Ento o capacitor ser:

11

( ) ( ) ( ) FVVfPC e 74,43

212780,0212795,06022,22

2222

21

1 =

=

=

V1 Tenso mnima de pico da rede.

V2 Tenso mnima no capacitor.

O valor comercial adotado ser de 47 F. A tenso mxima esperada sobre o capacitor ser 5% superior a tenso de

pico da rede, ou seja, 189 V. Ento, adota-se um capacitor de 250 V.

6.4 DIODOS DE ENTRADA

A freqncia de operao da retificao de entrada definida pela rede, ou seja, 60 Hz. Nessa freqncia so utilizados diodos normais e no diodos rpidos.

A corrente desses diodos definida pela potncia transferida, em torno de 25W, e pela tenso retificada, em torno de 180 VCC. Portanto, o valor de corrente de 1 A mais do que suficiente.

Sero utilizados 4 diodos 1N 4007.

6.5 PARTIDA SUAVE

A partida suave promove um aumento gradual da razo cclica do PWM. Isso importante para evitar que na energizao do inversor, altas correntes circulem devido s caractersticas dinmicas do circuito.

A partida suave implementada atravs de um capacitor introduzido externamente ao circuito integrado 3525 que determinar o tempo que a razo cclica levar para atingir o valor ajustado.

De acordo com a folha de dados (datasheet) do integrado 3525 (controlador PWM), tem-se que:

VC = 5V e iC = 50 A A interpretao desses dados de que uma fonte de corrente, interna ao circuito integrado, fornece uma corrente de 50 A para a carga do capacitor C4. Quando esse capacitor atingir o valor de tenso de 5 V, a razo cclica ter atingido o valor ajustado. Como na especificao do projeto o tempo de partida suave de 10ms, pode-se calcular o valor da capacitncia C4 atravs da equao a seguir:

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FV

tiCC

CS 1005

10101050 36=

=

=

6.6 RESISTORES DE ALIMENTAO DOS CIS

A alimentao dos dois circuitos integrados do inversor se dar atravs de um divisor resistivo e um grampeamento em 18 V proporcionado por um zener.

A corrente necessria para a alimentao dos dois CIs em torno de 20 mA. A equao a seguir permite o clculo da resistncia equivalente ao

paralelismo das resistncias R1, R2 e R3.

=

=

kR 53,81020

186,1883

Sero utilizadas 3 resistncias em paralelo de 22 k gerando uma resistncia equivalente de 7,3 k.

A potncia de cada resistncia ser:

[ ] WP 3,11022

186,1883

2

=

=

O valor comercial adotado ser de 22 k / 2W.

6.7 POTENCIMETRO DE AJUSTE DA RAZO CCLICA

Uma tenso de referncia de 5V disponibilizada pelo CI 3525 no pino 16. A capacidade de corrente dessa fonte estabilizada de 500 A. Essa tenso usada para alimentar o trimpot de ajuste da razo cclica e o clculo desse trimpot apresentado a seguir:

=

=

kR 10105000,5

6

Ser utilizado um trimpot de 10 k.

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6.8 MOSFETS

O Mosfet um transistor de efeito de campo do tipo xido metlico. O nome efeito de campo deriva-se do fato de que a corrente no dispositivo controlada pela tenso aplicada ao gate.

Os Mosfets a serem escolhidos devem suportar tenses de at 200 V. No entanto, sempre se deve deixar uma folga por questes de segurana. A corrente no Mosfet igual a corrente no enrolamento do indutor que foi definido em funo da corrente na lmpada. Essa corrente no superior a 250 mA.

Devero ser utilizados dois MOSFET iguais ou superiores a 400V e cujas correntes sejam superiores a 1A. Um possvel modelo o IRF 830 (500 V, 5 A) que atende aos requisitos. Ou ainda o IRF 740 (400 V, 10 A).

Caso sejam utilizados dissipadores nos Mosfets, no pode haver contato entre eles, pois funcionaro em potenciais diferentes. Na placa que ser utilizada, eles estaro justapostos e devem ser isolados entre si.

6.9 IR 2112

O circuito integrado IR 2112, um circuit driver (acionador de comando), ou seja, um integrado preparado para acionar o gate de Mosfets ou IGBTs. Neste circuito, ele recebe as modulaes PWM das duas sadas do 3525 e reenvia aos Mosfets, porm, com dois canais cujas referncias so independentes.

As referncias destes canais do IR 2112 so independentes pois a sada high alimentada atravs de um circuito boot strap. Circuitos bootstrap so usados em circuitos eletrnicos para criar uma fonte de energia com outra referncia. Essa fonte de energia tem a sua origem na alimentao principal do circuito, mas desacoplada da sua referncia. O capacitor de bootstrap (C8 no esquemtico) armazena energia e a entrega para outra parte do circuito, criando uma malha independente.

A necessidade de implementar este circuito evitar que o Mosfet Q2 fique em curto atravs da referncia do circuito. Assim, o canal de sada chamado high do CI 2112 tem uma referncia independente do canal de sada chamado low.

No esquemtico, encontram-se os capacitores C5 e C7 que tm a funo de desacoplamento de indutncias. O valor dessas capacitncias de 1 F e 40 V.

O capacitor C6 tem a finalidade de filtrar rudo (interferncias) e seu valor de 10 F.

O capacitor C8 tem a finalidade de suprir tenso (bootstrap) para o funcionamento do canal de sada high do 2112.

O diodo D6 do tipo rpido e serve para desacoplar (bootstrap) a fonte principal de tenso da alimentao usada pelo canal high. Seu cdigo UF4007.

Para melhorar o desempenho do circuito de comando de gate, utilizam-se alguns resistores recomendados pelo fabricante:

R9 e R10 = 22 R11 e R12 = 10 k

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6.10 CIRCUITO DE ALIMENTAO DO CONTROLE

A alimentao dos dois circuitos integrados do inversor se dar atravs de um divisor resistivo e um grampeamento na tenso de 18 V.

O grampeamento da tenso em 18 V feito atravs de um zener (D5) de 18V e 2W. O capacitor C2 o armazenador de energia nesse nvel de tenso. A capacitncia de C2 de 47 F e 25 V.

6.11 CIRCUITO DE SINALIZAO

Com a finalidade de sinalizar a energizao da placa, existe um circuito que acende um LED quando a placa ligada na fonte de tenso alternada. Esse circuito constitudo de uma resistncia de 100 k e de W em srie com um LED.

6.12 CIRCUITO DE CARGA

O circuito de carga utiliza uma lmpada fluorescente de 20 W em paralelo com um capacitor (C9) de polipropileno de 15 F e 630 V. Os capacitores C10 e C11 so de 33 F e 630 V.

7 LMPADA FLUORESCENTE

Desenvolvida na dcada de 1940 e conhecida comercialmente como lmpada tubular fluorescente, em funo da geometria do seu tubo de descarga, esta lmpada muito utilizada no campo da iluminao. O tubo de descarga, de vidro transparente, revestido internamente com uma camada de p branco, genericamente conhecido como fsforo. O fsforo atua como um conversor de radiao, ou seja, absorve um comprimento de onda especfico de radiao ultravioleta, produzida por uma descarga de vapor de mercrio a baixa presso, para emitir luz visvel.

Os filamentos das lmpadas fluorescentes so construtivamente semelhantes aos das lmpadas incandescentes, porm operam em temperaturas mais baixas. Esses filamentos emitem eltrons por efeito termo-inico. Durante a partida, os filamentos so alimentados por uma fonte de tenso, sendo aquecidos pela circulao da corrente, at atingir a temperatura de emisso que mantida pelo calor gerado na descarga com a lmpada j em funcionamento.

Para haver a ignio da lmpada necessrio um alto valor de tenso sobre o tubo de descarga. No reator eletrnico a ser implementado, este alto valor de tenso conseguido atravs de uma ressonncia LC.

Toda lmpada de descarga apresenta uma impedncia dinmica (derivada da tenso em relao corrente) negativa, ou seja, medida que a corrente na lmpada aumenta, a tenso nos seus terminais diminui. Por isso, necessria a associao em srie de um elemento com impedncia positiva para a estabilizao da corrente.

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8 REFERNCIAS

SEDRA, Adel S.; Smith, Kenneth, C. Microeletrnica. 6aed. So Paulo: Pearson Education do Brasil, 2000.

BARBI, Ivo. Projetos de Fontes Chaveadas. 1 Edio. UFSC, 2001.

INTERNATIONAL RECTIFIER. IR2112 High and Low Side Driver, Shutdown Input in a 14-pin DIP package. In: Datasheetcatalog.com: product catalog. [s.d.]. Disponvel em: < http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/2/1/IR2112.shtml >.

RASHID, Muhammad H. Power electronics: circuits, devices, and applications. 2.ed. New York: Prentice Hall, 1993. 702p.

TEXAS INSTRUMENTS. UC3525: Regulating Pulse Width Modulators. In: Alldatasheet.com: product catalog. 8 pages. [s.d.]. Disponvel em: .

THORNTON INPEC ELETRNICA LTDA. Linha de Produtos Ferrites. So Paulo, [s.d]. Disponvel em: .

9 RELAO DE MATERIAIS A relao de materiais est na tabela a seguir:

Relao de Material do Inversor tem Descrio Quantidade Valor Potncia Tenso

1 Resistores (R1, R2, R3) 3 22 k 2 W - 2 Resistores R4 1 100 k 1/2 W - 3 Potencimetro R5 1 10 k 1/8 W - 4 Resistores (R6 e R13) 2 1 1/4 W - 5 Potencimetro R7 1 4,7 k 1/8 W - 6 Resistor R8 1 1 k 1/8 W - 7 Resistores (R9 e R10) 2 22 1/4 W - 8 Resistores (R11 e R12) 2 10 k 1/8 W - 9 Capacitor Eletroltico C1 1 47 F - 250 V 10 Capacitor Eletroltico C2 1 47 F - 25 V 11 Capacitor Cermico C3 1 10 F - 50 V 12 Capacitores Cermicos C4

e C6 2 100 F - 50 V

16

13 Capacitores Eletrolticos C5 e C7

2 1 F - 50 V

14 Capacitor Eletroltico C8 1 10 F - 50 V 15 Capacitor Polipropileno C9 1 15 F - 630 V 16 Capacitores Polipropileno

C10 e C11 2 33 F - 630 V

17 Fixadores de fios com 2 bornes

3 - - -

18 Mosfet IRF 740 ou 830 2 - - - 19 Ncleo de Ferrite

E30/15/7 1 - - -

20 Carretel para o Ncleo de Ferrite

1 - - -

21 Fusvel de 2 A 5 - - - 22 Porta Fusvel 1 - - - 23 CI 3525 1 - - - 24 Soquete para o CI 3525 1 - - - 25 Diodo 1N4007 4 - - - 26 Diodo UF4007 1 - - - 27 Diodo Zener 1 - 2 W 18 V 28 Led Vermelho 1 - - - 29 Pente de Pinos 1 - - - 30 Ferro de solda 1 - - - 31 CI 2112 ou CI 2110 1 - - - 32 Soquete para o CI 2112 1 - - - 33 Soquete cebolinha* 2 - - -

Soquete cebolinha o soquete usado nos pinos da lmpada fluorescente.