Protótipo do PFP baseado no Conversor Zeta no MCS

Visando verificar experimentalmente os resultados obtidos em simulação e comprovar a aplicabilidade do conversor Zeta operando no MCS como PFP para o acionamento de uma luminária LED, montou-se um protótipo deste sistema, com as características descritas no capítulo 5.

Para medição das correntes circulando no PFP foram adicionados resistores shunt em série com certos componentes do circuito. Deste modo, possibilitou-se a medição das correntes no transistor S, no capacitor C e no diodo D utilizando-se, respectivamente, os resistores RS2, RS3, RS4. Utilizaram-se, também, resistores shunts

para a medição da corrente de entrada, irede, e de saída, io. Estes resistores são chamados

RS1 e RS5, respectivamente. Todos os resistores shunt do circuito possuem resistência

equivalente a 0,2 Ω. Foi necessária a utilização de shunts, uma vez que a inserção de pontes em formato de “U”, em série com os componentes em análise, para fixação da sonda de corrente, resultou na inclusão de indutâncias adicionais ao circuito, as quais geraram oscilações importantes, que descaracterizaram a operação do conversor no MCS.

Assim como na simulação, a tensão eficaz e a frequência da rede elétrica são iguais a 127 V e a 60 Hz, respectivamente. A razão cíclica e a frequência de comutação impostas ao PFP foram fixadas em 0,5 e 40 kHz, respectivamente. Ao longo dos ensaios, a entrada deste circuito (entre os terminais J1 e J2) foi alimentada com um

variador de tensão monofásico (variac), de 2400 VA da empresa Variac. Deste modo, pôde-se observar o comportamento do PFP com a tensão de entrada nominal e com tensões inferiores. Entretanto, o circuito do variador de tensão monofásico possui uma grande indutância, a qual atribuía à fonte de alimentação do conversor características de fonte de corrente, e não de fonte de tensão como é, em realidade o comportamento da rede elétrica. Então, foi necessário contrabalancear esta característica, bastando para tanto adicionar um capacitor, C1, em paralelo com os terminais de entrada do PFP.

No circuito experimental, o valor do capacitor C foi obtido através da associação em paralelo dos capacitores C2, C3 e C4. Analogamente, obteve-se o valor do capacitor

Co através da associação em paralelo dos capacitores C5 e C6. Os valores dos

capacitores utilizados no protótipo do PFP são apresentados na Tabela 22.

Tabela 22 – Valores dos capacitores no protótipo do PFP.

Capacitores Capacitâncias Cf 1 µF C1 3,3 µF C2 3,3 nF C3 22 nF C4 22 nF C5 1000 µF C6 470 µF Fonte: O autor (2014).

Os indutores do protótipo do PFP foram projetados e construídos em laboratório com as indutâncias especificadas na Tabela 3. Em face das amplitudes da corrente e da tensão observadas no diodo D ao longo da simulação, utilizaram-se dois diodos MUR820 em paralelo (D1 e D2) para distribuir o estresse de corrente entre estes

componentes.

Na Figura 112, é apresentado o diagrama esquemático do circuito do PFP baseado no conversor Zeta. Nesta figura, ressalta-se que os terminais J3 e J4

representam a entrada do sinal de controle e o terra do MOSFET, respectivamente. Os terminais J5 e J6 na saída do circuito são utilizados para a conexão com a carga. O

fusível (F1) foi adicionado para proteger o circuito do PFP contra sobrecorrentes.

Constatou-se, durante a simulação, que altas tensões incidem sobre o transistor S. Por esta razão, selecionou-se o MOSFET ST® E24NA100, o qual é suficientemente robusto para desempenhar esta função. Foi desenvolvido um circuito de comando e acionamento para o transistor S, para fornecer um sinal adequado para o correto funcionamento do conversor. Para este fim, empregou-se o CI 3524, o qual é um CI dedicado para o controle de fontes comutadas, o qual implementa de forma simples a

modulação por largura de pulso (do inglês – pulse width modulation – PWM). Além da geração do sinal PWM este CI incorpora funcionalidades como fácil implementação do circuito de proteção de sobrecorrente e da malha de realimentação, através de um amplificador de transcondutância.

Figura 112 – Diagrama esquemático do circuito do PFP baseado no conversor Zeta prototipado.

Fonte: O autor (2014).

Contudo, devido à alta capacitância de entrada do MOSFET utilizado, foi necessário desenvolver um driver de transcondutância para amplificar a corrente do sinal de saída do CI 3524 que apresenta saída em coletor aberto. Deste modo, o referido driver é apresentado na Figura 113. Este driver possui capacitores e resistores, os quais são apresentados na Tabela 23 e na Tabela 24, respectivamente.

Este circuito, na Figura 113, recebe o sinal gerado pelo CI 3524 e é alimentado por uma fonte de tensão constante com 16 V. O diodo D1 impede que a corrente gerada

no driver prejudique o funcionamento deste CI.

O transistor PNP Q5 recebe o sinal do CI 3524, na forma de uma onda quadrada.

Este sinal varia entre um valor positivo e um valor nulo. Quando o CI 3524 emite sinal positivo, não há tensão entre a base e o emissor do transistor Q5, provocando a abertura

deste. Assim este sinal alcança a base dos transistores Q1 e Q2. Isto provoca uma

diferença de potencial positiva entre estas bases e seus respectivos emissores, o que C2 C3 C4 C Rs2 Rs3 Rs5 Rs4 Cf C5 C6 MOSFET Ponte Retificadora F1 J1 J2 J3 J4 J5 J6 Lf Lm Lo D1 D2 Rs1

resulta na condução dos transistores NPN Q1 e Q2. A condução de Q1 possibilita que

uma corrente flua da fonte de alimentação para os resistores R6 e R7 e para o capacitor

C9, carregando este. A condução do transistor Q2 provoca a abertura do transistor NPN

Q4 e fornece um caminho alternativo para a passagem da corrente da fonte de

alimentação. A abertura do Q4 gera uma diferença de potencial entre o Gate e o Source

do MOSFET, o que resulta em sua condução.

Tabela 23 – Valores dos capacitores no driver do PFP.

Capacitores Capacitâncias C7 680 pF C8 680 pF C9 470 pF C10 4700 µF C11 1 µF Fonte: O autor (2014).

Tabela 24 – Valores dos resistores no driver do PFP.

Resistores Resistências R1 2.7 kΩ R2 1 kΩ R3 1 kΩ R4 1 kΩ R5 1 kΩ R6 100 Ω R7 1 kΩ R8 470 Ω Fonte: O autor (2014).

Figura 113 – Detalhe do circuito de amplificação do sinal de comando do transistor S.

Fonte: Vanderlei Amaral (2014).

Quando o sinal emitido pelo CI 3524 é nulo, há uma diferença de potencial negativa entre a base e o emissor do transistor PNP Q5, em função do acúmulo prévio de

energia nos capacitores C7 e C8. Ao longo da condução do transistor Q5, o sinal do

CI 3524 não alcança os transistores Q1 e Q2. Isto permite a descarga dos capacitores C7

e C8 através dos resistores R4 e R5, respectivamente. Após a descarga destes capacitores

ocorre, respectivamente, a abertura dos transistores Q1 e Q2. Além disto, a condução de

Q5 conecta a saída do diodo ao terra, e, nesta situação, os transistores NPN Q1 e Q2

permanecem abertos. A abertura de Q1 impede que uma corrente flua da fonte de

alimentação para o resistor R7 e para o capacitor C9. A tensão acumulada neste capacitor

provoca uma diferença de potencial negativa entre esta e a tensão da fonte. Esta diferença de potencial resulta na condução do transistor PNP Q3. Os capacitores C10 e

C11 são carregados. Uma vez que o transistor Q2 está aberto, a fonte de tensão de 16 V

alimenta a base do transistor NPN Q4 e surge uma diferença de potencial entre a base

deste e seu emissor. Nesta situação, o transistor Q4 conduz. Isto produz um curto-

circuito entre o Gate e o Source do MOSFET, o que resulta na abertura do MOSFET. O protótipo desenvolvido é apresentado através da Figura 114, na qual é possível visualizar o circuito do PFP, conectado aos seus indutores e o circuito de acionamento,

localizado em uma placa separada, porém fixado ao lado do circuito de potência em uma base de madeira. Ressalta-se que há um plano de terra, constituído por uma chapa de aço, sob a base de madeira.

Figura 114 – Protótipo do PFP baseado no Conversor Zeta operando no MCS.

Fonte: O autor (2014).