FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIR DA CUNHA
CURSO DE ELETRÔNICA – Prof. Irineu Alfredo Ronconi Junior
ROTEIRO PARA O DESENVOLVIMENTO DE UMA PEQUENA FONTE CHAVEADA (COM BASE NAS
NOTAS DE AULA DE BRUNO DE ARAÚJO DA ROSA DAS AULAS DE ALEXANDRE SIMIONOVSKI)
Introdução:
Esta apostila tem como objetivo auxiliar, de forma prática, na confecção de uma fonte chaveada elementar que utiliza os conceitos de conversores CC-CC, tipo Buck, Boost ou Buck-Boost, cuja fundamentação teórica e prática já foram assimiladas (veja as práticas
correspondentes no site: https://sites.google.com/a/liberato.com.br/do-professor-irineu/home/tecnologia/aulas---liberato ).
Para o controle de chaveamento são sugeridos dois integrados de baixo custo: TL 494 e o LM3524. As folhas de dados dos fabricantes (Data Sheets) também estão a disposição do aluno no mesmo endereço web anterior.
A Folha dados referentes ao LM3524 também deverá servir como material teórico, uma vez que apresenta diversos exemplos de aplicações e considerações teóricas.
Indutores e Transformadores para fontes chaveadas:
Os elementos de armazenamento de energia elétrica que apresentam “inércia” para variações de correntes e tensões nos conversores CC-CC são os capacitores e indutores. Os capacitores serão escolhidos entre aqueles que estão a disposição no almoxarifado ou em lojas de componentes eletrônicos. Já os indutores deverão ser dimensionados (núcleo, entreferro, espessura do fio, etc.). O que se apresenta a seguir é um resumo prático para a confecção de pequenos indutores.
Considerações sobre os núcleos:
A função do núcleo em bobinas é a da concentração de fluxo magnético originado pela
circulação da corrente. A circulação da corrente pelo condutor origina um campo magnético H, medido em amperes-espiras por metro [A.e/m]. Isto significa que a intensidade de campo H é proporcional ao número de espiras em que circula a corrente geradora do campo e
inversamente proporcional ao comprimento da bobina .
A intensidade de campo, para este caso, é calculada pela seguinte expressão:
= . (01)
Onde N é o número de espiras, i a corrente elétrica em ampères e l o comprimento da mesma.
O núcleo (cilíndrico) pode ser composto de diversos materiais, como ar, ferrites, aços, etc. O núcleo ficará sujeito a uma indução de intensidade B, proporcional a H. Esta relação somente será linear se o núcleo for composto unicamente por ar, o que normalmente não ocorre em fontes chaveadas.
Quando o núcleo é atravessado por linhas de indução do campo magnético, os domínios magnéticos do mesmo se orientam tal quais minúsculas bússolas, este comportamento de orientação varia de material para material, e para tanto parte da energia gerada pela criação do campo é utilizada para esta tarefa.
Os materiais magnéticos, utilizados em núcleos, como os aços silício, limitam a magnetização a um ponto de saturação, onde seus domínios magnéticos estão orientados de acordo com as linhas de indução originadas pelo campo H e a partir deste ponto não sofrem mais orientação.
A relação entre a indução magnética B e a intensidade de campo H é, normalmente representada graficamente pela chamada curva de histerese. Na figura 2 é mostrado esta curva. Aqui vemos de forma artística a relação da intensidade de campo H, a magnetização e a orientação dos domínios magnéticos (figura retirada de:
http://cienciahoje.uol.com.br/colunas/do-laboratorio-para-a-fabrica/histerese-magnetica-perdas-e-ganhos ).
A área originada pela curva representa a energia “gasta” na magnetização. Esta orientação dos domínios se manifesta em forma de aquecimento do núcleo. Quanto menos área for descrita menor é a energia dispensada para a magnetização. Na figura 3 isto está ilustrado.
Figura 3 - A energia necessária para magnetizar materiais diferentes
A energia determinada pela área da curva de histerese é representa as “perdas por histerese” e como pode ser visto, depende do tipo de material utilizado para o núcleo. Ferros especiais para uso em bobinas podem ter grão orientado e não orientado, com variação do tamanho do grão. O grão grosso de 0,5mm, tem elevado Hc necessitando mais energia para a magnetização que grão orientado fino de 0,3mm que possui baixo Hc . Onde Hc determina o valor da
coercitividade. Para um mesmo material, o valor da saturação deverá ser o mesmo (Bs).
A relação entre B e H se dá pela seguinte expressão:
= (2)
µ é um coeficiente, chamado de permissividade magnética e depende do material (observe que este coeficiente é variável, conforme a região da curva que é considerada).
As perdas por histerese pode ser calculado pela expressão (3), a seguir.
= 10 . μ. , . . (3)
Onde µ é a permeabilidade medida em T.m/A, B é medido em Teslas (T), f é a frequência em H em Hertz (Hz) e V é o volume do material do núcleo em metros cúbicos (m3).
Além das perdas por histerese, o núcleo por efeito da indução eletromagnética do
As correntes parasitas são diminuídas , basicamente de duas formas:
a) Aumento da resistividade do material adicionando Si ao Fe do núcleo;
b) Laminando o núcleo causando um aumento na resistência elétrica do mesmo. Veja a figura 4.
Figura 4 - Laminando o núcleo para diminuir correntes parasitas
As perdas por correntes parasitas podem ser expressas pela equação (4).
= 10 . . (4)
Onde ρ é a resistividade do material em ohm.metro (Ω.m) e δ a espessura da lâmina em metros.
Como a curva de histerese é uma curva não linear, são colocados nos transformadores e indutores de fontes chaveadas “gap de ar” no caminho do fluxo magnético do núcleo, o objetivo é criar zonas lineares nas curvas de histerese para aperfeiçoar a ação de chaveamento.
Normalmente em fontes chaveadas são utilizados núcleos de ferrite, que poderão ter diferentes formas.
Existem também, e são amplamente usados os núcleos de ferro silício laminados, como é mostrado na figura 6.
Figura 6 - Transformadores de ferro silício
As figuras a seguir ilustram o efeito de um “gap” de ar (entreferro) nas bobinas e transformadores.
Figura 7 - Bobina com gap de ar para linearizar curva de histerese
Pela figura 8 podemos concluir que se a espessura do gap (lgap) aumenta, então o Hsat também aumenta.
Em bobinas com núcleo em que circula corrente contínua são válidas as seguintes expressões matemáticas:
Sem gap
Alto gap B
H
Figura 8 - Efeito do gap de ar em núcleos
= .!"#$ %"#$.& (5)
L é a indutância em Henrys [H];
Imax é a corrente que circula no indutor;
Bmax é indução magnética (magnetização) do núcleo produzida por H e depende do material do mesmo;
S é a área de seção transversal do núcleo em metros quadrados [m2].
Para um núcleo em formato E , teremos, como o mostrado na figura – 9, são válidas as
Figura 9 - Núcleo em E
seguintes equações:
' = (. ) (6) [m2]
*+ ,= -. . ./0. .!"#$
%"#$ (7) [m]
Indução máxima (Bmax):
- Ferro: 1T (10.000Gauss[G])
-Ferrite 0,25T (2500G)
Faixa ótima para Lgap:
0,1 ≤ Lgap ≤ 0,4 mm, para núcleos EI, EE, CI.
Se lgap for muito pequeno, o núcleo será muito grande.
Núcleos com entreferro
Para núcleos com entreferro de ar (gap de ar) deve-se calcular o número de espiras N e a espessura do gap (lgap). Deve-se observar que lgap calculado ≥ lgap núcleo.
1) Lgap núcleo < lgap calculado:
Quando a espessura do entreferro do núcleo for menor que a espessura calculada, o gap poderá ser aumentado colocando-se, na junção das partes do núcleo um pedacinho de folha de papel.
2) Lgap núcleo > lgap calculado:
Neste caso,
a) Enrolar cerca de 100 espiras de fio; b) Fechar o núcleo e medir a indutância; c) Calcular o fator de indutância:
1 = 2 . ∴ 2 = [4.5 ] (8)
d) Calcula-se o número de espiras necessárias para atingir a indutância desejada através da equação 9.
= 7 89:
;< (9) (LDes= Indutância projetada)
Enrolamento da bobina: Deve-se fazer com que a densidade de corrente produzida pelo enrolamento esteja entre 3 e 10 A/mm2 (3 ≤ Scu ≤ 10 ). Neste caso são válidas as expressões matemáticas:
Figura 10 - Núcleo com entreferro central
lgap
lgap Papel
= = !><
&?@ (10) é a densidade de corrente.
A área do condutor (Scu) deve ser retirada de uma tabela de secção de fios AWG:
Figura 12 - Tabela AWG de fios esmaltados
Lembrando que a expressão matemática que relaciona a área do fio com o seu diâmetro (raio) é :
'AB= .C- ∴ = = 2. E (11)
Para núcleos formados de partes em E, pode-se seguir as seguintes regras:
Área da janela (Sjanela) =A(mm)XB(mm) =[mm2].
Figura 13 - Possibilidade de execução
O CI TL 494
- Tem como função gerar o sinal de chaveamento (onda quadradada) para o transistor chaveador externo.
- Monitora a tensão de saída.
- Ajusta o ciclo ativo do sinal de chaveamento conforme variea tensão de entrada e a corrente na carga, de forma a manter estável a tensão de saída.
- Monitora a corrente entregue a carga, efetuando a limitação como forma de proteção contra sobrecarga e curto circuitos.
Na figura 14 temos o diagrama em blocos do CI.
Figura 14 - CI TL 494
B A
A alimentação é feita através do pino 12 com tensão de 7V (min) a 40V (max). Esta
alimentação gera uma tensão de referência de 5V ∓ 5%, com corrente máxima de 10mA no pino 14 (caso não tenha esta tensão o CI está danificado ou a montagem está errada). A tensão de alimentação também é utilizada para a alimentação dos transistores Q1 e Q2 (pinos 8, 9 e 10, 11), do estágio de saída. Estes transistores estão configurados com a lógica interna do TL494.
Nos pinos 5 e 6 são conectados o capacitor (CT) e o resistor (RT) que determinarão a
frequência de oscilação do chaveamento. Esta frequência é dada pela expressão 12:
GHIA =JK,.LK (12)
Sendo que: 1,8kΩ ≤ RT ≤ 500kΩ e 4,7nF ≤ CT ≤ 10µF.
Ligações típicas:
BUCK
Figura 15 - Ligação tipo Buck Q1 dos pinos 8 e 9
FLAYBACK
O estágio de saída composto pelos transistores Q1 e Q2 funcionam de acordo com a lógica interna do TL494 e eles chavearão conforme a situação do pino 13 (output Control): se o pino 13 estiver aterrado (0V) Q1 e Q2 chaveiam simultaneamente, caso o mesmo pino esteja em 5V, Q1 e Q2 chavearão alternadamente (figura 17).
Figura 17 - Controle de saída
Obs: Icmáx.= 200mA por transistor.
Configuração do PWM
Na figura 18 temos uma parte do CI visualizado, é a do amplificador de erro (pinos 1 e 2).
Figura 18 - Deteção de erro e correção
Observe que a tensão de erro (entrada no pino 1) é dada pelo divisor de tensão formado pelos resistores R1 e R2, isto é:
PROTEÇÃO DE SOBRE CORRENTE
O limitador entra em ação a partir do ponto em que U+=U- Se U+ = 0 (zero, condição de curto circuito). U- será dado pelo divisor de tensão:
M =ERE+ E-- MS5T5S5NA
MU= MVW =ERE-+ E-MS5T5S5NA
MIA = X . EIA
No limite IL=ICC. Quando a tensão atinge valores menores que 150mV considera-se a mesma como tensão de curto circuito (sc ou cc).
Maiores informação e exemplos de projeto podem ser vistos nas folhas de dados dos componentes TL494 e no LM 3524. As principais informações são colocadas a seguir.
