Projeto e desenvolvimento de um conversor Boost microcontrolado
Igor Baumbach; Lucas Müller; Sérgio Dias
Disciplina de Sistemas Digitais Aplicado e Eletrônica de Potência Curso de Engenharia de Energias Renováveis e Ambiente Universidade Federal do Pampa – Unipampa, Bagé - RS - Brasil
Prof. Dr. Jocemar Parrizzi Email: lucas.muller@yahoo.com.br,
sergiofred50@hotmail.com,igorbaumbach@yahoo.com.br.
1- Introdução
Conversores CC-CC são circuitos elétricos formados por semicondutores de potencia operando como interruptores e outros elementos passivos (diodos, indutores, entre outros). Estes, tem como objetivo controlar o fluxo de energias entre dois sistemas de corrente continua [1], com o máximo de estabilidade e eficiência.
Neste trabalho, buscamos realizar o desenvolvimento de um conversor Boost microcrontrolado utilizando a técnica de PWM, capaz de fornecer uma saída de tensão estável de 24V com variação de ΔV igual a 2%. A técnica de PWM, modulação por largura de pulso, para gerar o ciclo de trabalho, onde é gerada uma onda quadrada. O duty deveria se ajustar as variações impostas ao valor de Vref e Vout para que nosso valor de tensão de saída fosse mantido em uma margem de potencial esperado.
2- Conversor Boost
O conversor Boost, representado na Figura 1, é um conversor elevador de tensão pertencente a classe dos choppers [2] (conversores CC-CC), sendo empregados principalmente em fontes de alimentação. Na figura, esta devidamente representado por Vin a fonte do sistema, CH a chave MOSFET, D que sera o diodo, C que será o capacitor, L o indutor e uma carga (R) com tensão Vs.
Figura 1– Representação do Conversor elevedor de tensão Boost
Este circuito conversor possui duas etapas de funcionamento, podendo ser em modo continuo ou descontinuo. A 1ª etapa inicia-se quando o transistor entra em condução e o indutor é alimentado pela fonte fechando o circuito através do próprio transistor. A 2ª etapa começa com o desligamento do transistor, fazendo com que a corrente agora faça o caminho restante do circuito passando pelo diodo e consequentemente carregando o capacitor e alimentando a carga.
Os modos de operação, que possuem suas formas de onda demonstrados na Figura 2, são definidos durante a 2ª etapa do funcionamento do conversor. Nesta etapa o indutor deve repassar a energia armazenada para o restante do circuito. Caso a corrente no indutor chegue a zero durante este período diz-se que o conversor esta operando em modo descontinuo, se não em modo continuo.
Figura 2 – Formas de ondas típicas do conversor elevador de tensão
3- Materiais utilizados
Duas fontes de tensão CC;
Um gerador de funções;
Software Freescale CodeWarrior IDE;
Dois osciloscópios;
Percloreto de sódio;
Um multímetro;
Placa de circuito padrão;
Fio condutores encapado com verniz;
Um indutor?
Três capacitores;
Quatorze resistores;
Um dissipador de calor;
Três diodos;
Um transistor NPN BC547;
Um AmpOp CA3140E;
Soldador para solda de estanho;
Estanho;
Cabos de conecção;
Furadeira elétrica;
Demais equipamentos para a montagem da placa.
4- Procedimento experimental
4.1- Determinação dos Componentes
Primeiramente, o conversor a ser implantado deveria atender a seguintes características:
Freqüência de chaveamento: 16,384KHz
Tensão de Saída (V0): 24V
Tensão de Alimentação (Vin) com ΔV igual a 2%: 10V a 14V
Potencia Nominal: 10W
4.2- Determinação de Componentes Passivos
Primeiramente utilizou-se a seguinte fórmula para calcular os duty’s máximo e mínimo
= .
= 1−
= 1− = 0,58
= 1− = 0,42
Com os valores dados da potência e da tensão de saída (levando em conta sua variação ∆V) chegamos assim ao valor da corrente mínima e máxima:
= = 10
24,24= 0,4125
= 10
23,76= 0,4209
Para a corrente mínima utilizou-se um valor 10 vezes menor para não comprometer o circuito, ou seja Imin=0,04125 A.
Com um período de 61,035*10-6 s calculou-se a freqüência a ser utilizada no projeto:
= 1
= 61,035∗10
= 16,38404∗10
Com esses dados iniciais já pode-se calcular a indutância mínima a ser utilizada no conversor elevador de tensão, este valor de indutância serve como o valor mínimo para que nosso circuito seja um conversor Boost:
= ( ) = ∗ , ( , ) , ∗
∗ , = 2,5231∗10
Da mesma forma também é necessário o calculo do valor do capacitor para o funcionamento perfeito do circuito:
= ∆ = , ∗ , ∗ , ∗
, = 3,1042∗10
Com o valor de capacitância calculado, procurou-se um valor comercial aproximado para a escolha do capacitor. Em nosso caso utilizamos um com 47µF, embora um pouco acima do calculado este capacitor poderá ser utilizado sem maiores problemas para o circuito.
Para o dimensionamento do resistor de carga calculou-se as cargas mínima e a máxima suportadas neste circuito:
= = 24
0,4209= 57,02
= = 24
0,04125 = 581,82
Deste modo, a resistência de carga se localiza entre este intervalo de valores de forma que podemos escolher qualquer valor pertencente ao domínio que nosso circuito devera supostamente suportar. Determinação de intervalo:
57,02 ≤ ≤581,82
Ao final optamos por um resistor de 470Ω para carga, por se tratar de um valor intermediário.
Para determinar as resistências dos resistores do circuito divisor de tensão resistivo utilizou-se a equação a seguir e atribui-se um valor para a resistência de Rx, calculando assim R1:
= ∗
+ = > 3,33 = 40∗1
+ 1 = > = 11,01
4.3- Confecção do Indutor
Com o calculo da indutância minima como demonstrado na seção 4.2, foi possível realizar a confecção do indutor necessário para o funcionamento do circuito. Como visto, Lmin=2,52x10-3H embora para fins de calculo tenhamos utilizado uma indutância cerca de 4 vezes maior (10x10-3H) que a minima requerida pelo circuito.
O primeiro passo foi a descoberta experimental da permeabilidade magnética (µ) do núcleo a ser usado decorrente do desconhecimento do seu material de fabricação. Para isto utilizamos as seguintes fórmulas:
=
=
=
Onde:
L = Indutância
µr = Permeabilidade magnética relativa µ0 = Permeabilidade magnética do ar µ = Permeabilidade magnética absoluta N = Numero de voltas
Ae = Área do núcleo
Pmin = Perímetro de uma “janela”
Com isto, confeccionamos um primeiro indutor com numero de voltas (N) conhecido e com o auxilio de um medidor LRC mediu-se a indutância resultante. Com isso, a única incógnita ainda restante na equação seria o valor da permeabilidade magnética do núcleo. Ou seja:
Para um numero de voltas igual a 10 e uma indutância experimental igual a 384mH
384∗10 = ∗10 ∗1,1224∗10 0,07115
= 2,4342∗10 ( )
Agora com o valor da permeabilidade conhecido, pudemos calcular o número necessário de voltas para que o indutor alcançasse a indutância que esperávamos.
10 = 2,4342∗10 ∗ ∗1,1224∗10 0,07115
= 51,03
Conhecendo o numero de voltas necessárias, o próximo passo foi a escolha de um fio adequado para o enrolamento do indutor de forma a suportar a corrente máxima do circuito (Imax) e então enrolar as espiras determinadas.
Concluído isto, mediu-se novamente a indutância obtendo um valor aproximado de 9,02mH. Observou-se então uma grande variação no valor de indutância decorrente de influencias externas como pressão de fixação ou alinhamento das partes do núcleo, resolveu-se aumentar em 1,5 vezes o numero de voltas a ser utilizadas, livrando assim o circuito da possibilidade da obtenção de uma indutância menor que Lmin.
Finalizado o processo de preparação e encaixe das espiras, o núcleo do indutor é fixado ao enrolamento e após uma nova medição obteu-se uma indutância de cerca de 24,12mH.
4.4- Confecção da placa de circuito impresso
Para a confecção da placa de circuito impresso primeiramente analisou- se quais os componentes o conversor elevador de tensão utiliza e quais os componentes são necessário para o funcionamento do circuito elevador de tensão do duty, que se utilizou primeiramente um AmpOp. Depois de sabermos a totalidade de componentes utilizados começou-se a elaboração do desenho do circuito, ainda no papel, buscando a eficiência da placa. Esta eficiência se da a organização dos componentes de forma a diminuir o tamanho da placa
sem que prejudique seu funcionamento perfeito, por exemplo evitar o superaquecimento do circuito.
Chegou-se então em um desenho de um circuito onde os componentes eram ligados de forma correta sem que os traçados de cobre se conectassem e as entradas do circuito ficassem colocadas na placa lado a lado buscando a otimização.
Utilizando papel carbono fez-se o espelhamento do circuito para outra folha, porque o desenho do circuito feito é o circuito que é visto do lado dos componentes. Este novo esboço foi passado novamente com o papel carbono para a placa de circuito impresso (do lado do cobre). Com uma caneta de tinta permanente repassou-se os traçados de cobre e as ilhas de cobre cuidando para que os traçados não estejam em curto-circuito.
Pegou-se a placa e colocou-se no percloreto de sódio para que ocorra a corrosão do cobre onde não há tinta permanente. Após 40 minutos o cobre esta corroído, com exceção dos traçados e ilhas de cobre, ainda com a tinta permanente na placa utilizou-se esponja de aço para remover a tinta e ficar amostra o cobre não corroído dos caminhos de cobre, como mostrado na Figura 3.(a).
Figura 3- (a). Placa de circuito impresso com os traçados e ilhas de cobre; (b). Placa de circuito impresso com os traçados e ilhas de cobre estanhados
Com a furadeira fez-se na placa, mais exatamente nas ilhas de cobre, furos onde os componentes vão ser soldados e ficarão em contato com os caminhos de cobre, como ilustrado na Figura 3.(a).
Para proteger os caminhos condutores de cobre da oxidação e para uma melhor condução da corrente nesses traçados, estanharam-se os mesmos, como ilustrado na Figura 3.(b).Soldou-se então os componentes na placa.
Durante os testes do circuito, notou-se no osciloscópio que a curva amplificada da tensão do AmpOp poderia, talvez, ser melhorada utilizando transistor como amplificador. Assim desativou-se todo o circuito do AmpOp e furou-se novamente a placa de forma a fazer um novo circuito amplificador de tensão, agora utilizando um transistor NPN. Soldou-se os novos componentes e testou-se e percebeu-se então que a curva da tensão do duty foi melhorada.
Desta forma a placa possui dois circuitos amplificadores em funcionamento, sendo utilizado somente o circuito do transistor. Esta placa permite que por uma simples troca de conexão troca-se de circuito amplificador. A placa de circuito impresso pronta pode ser mostrada na Figura 4.
Figura 4- placa de circuito impresso com os componentes soldados
Após a confecção da placa de circuito impresso e a elaboração do programa responsável pelo controle utilizado em conjunto com a placa microcontroladora, fez-se a montagem do circuito por completo.
Primeiramente, ligamos os cabos de conexão responsáveis pela alimentação da placa de circuito impresso: Vin, -Vcc, +Vcc, duty, GND e Vinplaca. Sendo o -Vcc descartado graças a não utilização do AmpOp. Vin, +Vcc e GND ligados as fontes de alimentação, sendo respectivamente alimentados por 10 a 14V e 12V. O duty e o Vinplaca foram ligados a placa microcontroladora, sendo que estes serviram para transportar o sinal de duty calculado pelo microcontrolador e transportar a tensão de saída da carga através do divisor resistivo de uma maneira segura para o microcontrolador, respectivamente.
Após rodar o programa elaborado, com o auxilio de dois osciloscópios, foram feitas medidas de varias “características” da placa (Vgs, Vds, Il, entre outras).
5- Resultados e discuções
Com a tensão de entrada em 12 V, dentro do intervalo de projeto (10 a 14 V), levantou-se as curvas de tensões pertinentes ao estudo do circuito e alguns valores de corrente em alguns componentes.
Para visualizar esses resultados, serão mostradas figuras retiradas dos osciloscópios. A figura 1 mostra as curvas mais relevantes.
Figura 5
O canal 1 (amarelo) mostra o duty que sai da placa do microcontrolador, na forma de uma tensão com amplitude de 3,2 V no estado “ligado”. Após esta tensão ser amplificado pelo transistor, o valor da tensão do duty amplificado fica em 12 V (roxo, canal 3), que é o valor da tensão entre o gate e o source do MOSFET (Vgs). Para este caso de tensão de entrada em 12 V e saída fixa em 24 V, o valor do duty, tensão “ligada” durante 26 µs sobre o período de 59 µs, resultou em 0,44. A figura 2 mostra tensão de saída medida em outro osciloscópio no mesmo instante de tempo das medições da figura 1. Observa- se também, ainda na figura 1, que a tensão de referência do potenciômetro (azul, canal 2) está praticamente igual à tensão de saída do circuito boost que vai para o microcontrolador (verde, canal 4), ou seja, a tensão de saída medida com o divisor resistivo.
Figura 6
A corrente fornecida pela fonte de entrada foi de 0,64 A. Já a corrente fornecida pela fonte que alimenta o circuito amplificador, com Vcc = 12 V, foi de 0,02 A. A tensão nos terminais do MOSFET (dreno e source) é mostrada na figura 3, no canal 1, em amarelo, os outros canais continuam os mesmos da figura 1.
Figura 7
A tensão Vds, como se esperava, ficou em aproximadamente zero enquanto o duty está em nível alto, ou seja, MOSFET conduzindo, e fica em 25,4 V quando duty está em nível baixo, ou seja, sem condução. Este valor parece bem coerente, pois há uma pequena queda de tensão no diodo enquanto ele conduz, e no carregamento do capacitor, o que resulta em aproximadamente 24 V na saída.
A tensão no diodo é esboçada na figura 4.
