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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


A DOIS TRANSISTORES DISTRIBUÍDO EM MÓDULOS



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.


A DOIS TRANSISTORES DISTRIBUÍDO EM MÓDULOS



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.


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.


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

68

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,

71

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.

72

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.

universidade estadual de londrina - uel.br · Ítalo stresser dos santos projeto de um conversor...

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