FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
CURSO DE ELETRÔNICA
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA Professor: Ariel Ferreira
LABORATÓRIO COM CONTROLADOR PWM 3524
1.
Objetivo:
Implementar um circuito conversor DC-DC chaveado com controle por modulação de largura de pulso (PWM) a partir do CI 3524, para analisar seu funcionamento e realizar o levantamento de suas características.
2.
Especificações e pinagem dos componentes utilizados: 2.1. Pinagem do 3524:
2.2.Características gerais do 3524:
• Funcionamento baseado em controle por modulação de largura de pulso. • Alimentação de 8 a 40 V.
• Fonte interna de referência de 5 V, com capacidade de alimentar carga externa com corrente máxima
de 50 mA.
• Freqüência do oscilador ajustável entre 100 Hz e 500 kHz.
2.3.Estrutura básica:
2.4. Formas de onda associadas à estrutura básica:
• Quando a rampa gerada pelo circuito RC do oscilador sobrepõe o nível existente na saída do
amplificador de erro, a saída Vc do comparador vai a nível alto, pois V (+) > V (-).
• Por outro lado, o mesmo oscilador com RC externo tem sua saída conectada a um flip-flop tipo T
(Toggle).
2.5. Diagrama de blocos do circuito integrado 3524:
2.6. Descrição do funcionamento:
• Alimentação variável entre 8 e 40 V: +Vcc (pino 15); Massa (pino 8).
• Regulador interno de +5 V: Vref (pino 16). Pode fornecer até 50 mA para uso do projetista. • Oscilador: através de um resistor e um capacitor ligados aos pinos 6 e 7.
Rt: de 1,8 kΩ a 100 kΩ
Ct: 0,001 μF a 0,1 μF (1 nF a 100 nF)
– O oscilador provê uma saída para disparar o biestável interno, liberando imediatamente
o sinal PWM para a saída e inibindo a transição brusca de ambas as saídas.
– Há o impedimento de condução simultânea dos transistores da etapa de potência.
– A largura do pulso de apagamento (tempo de desligado) é controlado pelo valor do
capacitor Ct.
– Saída do oscilador (pino 3) pode sincronizar outra fonte chaveada (sistema
• Funcionamento do PWM:
• Amplificador de erro:
– Amostragem: pino 1 (-) – Referência: pino 2 (+) – Saída: pino 9
– É um amplificador diferencial de alto ganho (80 dB).
– Pode-se aplicar diretamente uma fonte de tensão ao pino 9, de modo a controlar o
semi-ciclo de trabalho (Duty Cycle). A relação entre essa tensão no pino 9 e o semi-ciclo de trabalho está mostrada na figura abaixo.
– Quando o pino 9 não for utilizado para variar os pulsos de saída, costuma-se colocar
uma rede RC série para melhorar a estabilidade do circuito. Valores típicos são de R = 50 kΩ e C = 1 nF.
– Se colocarmos em curto os pinos 1 e 9, o mesmo funcionará como um Buffer
unicamente.
• Limitador de corrente: – CL (+): pino 4 – CL (-): pino 5
– Este bloco serve como sensor para circuito de proteção de sobre corrente.
RCL = 200 mV / IL (máx)
• Circuito de saída:
– Coletor A: pino 12 – Emissor A: pino 11 – Coletor B: pino 13 – Emissor B: pino 14
– São dois transistores NPN capazes de fornecer uma corrente máxima de 100 mA, cada. – Para aplicações com reguladores chaveados série, usa-se as saídas em paralelo, com
ciclo de trabalho de 0 a 90 %. Neste caso F oscilador = F saída.
– Para aplicações com saída simétrica, comuta-se as saídas alternadamente, com ciclo de
trabalho de 0 a 45 % em cada saída. Neste caso F oscilador = 2 x F saída.
• Desligamento (Shutdown): há 3 maneiras:
a) Pino 10: desligamento com nível alto.
b) Pino 9: nível de 1 V para completo desligamento.
c) Pino 5 (massa) e pino 4: desligamento por sobre-corrente.
2.7.Funcionamento de um conversor chaveado tipo BUCK (redutor) com o CI 3524: A configuração BUCK (redutor) apresenta o diagrama básico abaixo:
Quando o transistor satura, a energia é armazenada no indutor, através da tensão primária de entrada. Quando o transistor corta, os diodos conduzem a corrente armazenada no indutor, transferindo, assim, potência para a saída. No conversor Buck, a corrente no indutor está sempre sendo fornecida à saída, o que representa, em comparação com outros tipos de conversores chaveados, baixa ondulação de saída.
O trabalho proposto usa como CI básico o 3524. A freqüência de chaveamento é determinada por Rt = 2,2 kΩ (pino 6) e Ct = 6,8 nF (pino 7). A rede série R = 8,2 kΩ e C = 100 nF (pino 9), compõem a rede de compensação em freqüência do circuito em malha fechada. A referência é fornecida pelo regulador interno do próprio CI, que é aplicado ao divisor de tensão formado por dois resistores de 4,7 kΩ, que mantém a entrada não inversora do amplificador de erro (pino 2) fixa em 2,5 V.
com a largura do pulso necessária para fornecer 5 V, a partir do seu valor médio. O ciclo de trabalho é dado por:
CT = (5 V / Ve) x 100
Esta onda quadrada é integrada pela rede formada pelo indutor de 150 mH e pelo capacitor de 150 μF. Isto ocorre porque a bobina opõe-se a variação brusca de corrente, fazendo com que a tensão na saída mantenha-se constante. O capacitor ajuda a garantir a estabilidade da tensão de 5 V.
Os diodos SK3 4F/01 são diodos de comutação rápidos. Eles permitem que o indutor de 150 mH mantenha o fluxo de corrente enquanto o transistor TIP 31 está em corte. A rede série R = 27 Ω e C = 1 nF, ligada em paralelo com os estes diodos, tem a função de eliminar oscilações no chaveamento que podem ser provocados pela capacitância dos mesmos e pela indutância de dispersão.
Na saída tem-se uma carga mínima formada por 2 resistores em paralelo de 47 Ω x 1 W, necessários para manter positiva a corrente sobre o indutor. A rede de mostragem da tensão de saída é formada por 2 resistores de 3,3 kΩ e 1 potenciômetro de 1 kΩ. Ela é comparada com a referência aplicada ao pino 2 co CI, para que seja feita a regulação do conversor.
A proteção contra sobrecorrente é efetuada pelo resistor Rshunt, que deve ser calculado para a corrente máxima desejada. O desligamento (shutdown) pode ser realizado aplicando-se um nível alto no pino 10 do CI.
3. Lista de material: 01 3524
01 BU208 01 BC327
02 diodos SK3 4F/01 ou MBR1045
01 indutor 150 μH (núcleo de ferrite E 30/7 e fio # 20 AWG) 01 capacitor 150 μF x 25V
01 capacitor 1 μF 02 capacitores 100 nF 01 capacitor 6,8 nF 01 capacitor 1 nF 01 potenciômetro 1 kΩ 01 resistor 10 Ω
01 resistor 27 Ω
02 resistores 47 Ω x 1 W 01 resistor 390 Ω
4.
Procedimentos práticos:
4.1.Fazer o enrolamento do indutor do filtro de saída e, após, efetuar a medida do mesmo, para que se aproxime do valor de 150 mH.
4.2.Montar o circuito abaixo.
4.3.Aplicar Vin com 21 V na entrada do circuito e ajustar a saída para 5 V. Manter S1 aberta. Verificar o funcionamento do circuito. Fechar S1 e verificar o desligamento (shutdown).
4.4.Verificar alguns parâmetros do circuito ao aplicar-se na entrada Vin = 21 V. Anotar os resultados obtidos e justificá-los.
a) Para que servem os 2 resistores de 47Ω colocados na saída do circuito conversor ? O que aconteceria se colocássemos na saída de 5V um resistor de 4,7Ω x 15W ? Explique a sua resposta.
b) Calcular o rendimento = (P saída / P entrada) = (5 x IL) / (Vin x Iin). Como poderíamos melhorar o rendimento do circuito implementado ?
S1 + 1uF 100nF 5V 1k 40% + 150uF 150mH 1nF SK34F/01 SK34F/01 6.8nF 100nF 0V-GND +V 9-27V BC327 BU208 3524 1 In(-) 2 In(+) 3 Osc 4 CL(+) 5 CL(-) 6 Rt 7 Ct
8 Gnd Compensacao9
c) Observar e anotar as formas de onda (freqüência e amplitude) nos pinos 12 e 13 do 3524 e na saída de 5 V. Qual a freqüência do circuito oscilador do CI 3524 ? Comprove a medida realizada com as expressões que determinam a freqüência do componente.
d) Determine a faixa de variação da tensão de saída, ao variarmos o potenciômetro de 1kΩ. Relacione a variação da tensão de saída com o nível CC na saída do amplificador de erro (pino 9) e com o semi-ciclo de trabalho (duty cycle) do 3524.
e) O capacitor colocado no filtro de saída (150μF) é o mais adequado para este circuito ? Explique a sua resposta.
f) O transistor BU208, colocado na etapa de saída de potência, é o mais adequado para este circuito ? Explique a sua resposta.
