Capítulo 3 - Circuito Chopper

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FACULDADE DE ENGENHARIA

CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL E SISTEMAS ELECTRICOS

#3

Professor: Eng.º João Cussondama

Eletrônica de Potência

1

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Eletrônica de Potência

#3

Tópico

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3

3.1. CONVERSORES CC – CC / Introdução

Os conversores CC-CC são largamente aplicados em fontes de alimentação chaveadas e em acionamento de motores de corrente contínua.

Nas fontes chaveadas, eles sucedem os retificadores não controlados, reduzindo o ripple e regulando a tensão de saída da fonte, por isso são conhecidos também por “reguladores chaveados”.

Existem duas topologias básicas de conversores CC-CC, que são o abaixador de tensão (conversor buck) e o elevador de tensão (conversor boost). Com a combinação e alterações nestas duas estruturas chega-se em várias outras estruturas de conversores CC–CC.

A inserção de um transformador, operando em alta freqüência, nestes conversores, dá origem a uma família de conversores CC-CC isolados, muito utilizados em fontes chaveadas.

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•

As Fontes de alimentacao podem ser construidas com duas tecnologias: linear ou chaveada.

As Fontes de alimentacao lineares pegam os 220 V da rede elétrica e, com ajuda de um transFormador, reduzem esta tensao para, por exemplo, 12 V.

Esta tensao reduzida, que ainda é alternada, passa então por um circuito de retiFicacao que é Feito por uma série de diodos, transFormando esta tensao alternada em tensao pulsante. O próximo passo é a Filtragem, que é Feito por um capacitor eletrolitico que transforma esta tensão pulsante em quase continua.

Como a tensao continua obtida após o capacitor oscila um pouco (esta oscilacãoo é chamada ripple), um estágio de regulaçãoo de tensao pode ser necessário, Feito por um diodo

zener ou por um circuito integrado regulador de tensao. Após este estágio a saida é realmente continua.

•

3.1. CONVERSORES CC – CC / Introdução

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• Formas de onda em uma fonte de alimentação linear

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Fontes chaveadas

Uma fonte chaveada (em lingua inglesa switched-mode power supply (SMPS)), é uma unidade de Fonte de alimentacao eletrônica que incorpora um regulador chaveado, ou seja; um circuito controlador interno que chaveia a corrente, ligando e desligando rapidamente, de Forma a manter uma tensao de saida estabilizada. Reguladores

chaveados são utilizados para substituição de reguladores lineares mais simples, quando uma eficiência maior, menor tamanho e maior leveza são requeridos.

As Fontes chaveadas podem ser classiFicadas de acordo com a Forma de onda da tensao de entrada e de saida conForme segue:

Entrada CA, saida CC: retiFicador

Entrada CC, saida CC: conversorde tensao, ou conversor de corrente ou conversor CC/CC Entrada CA, saida CA: Conversorde Freqüência, cicloconversor

Entrada CC, saida CA: inversor

Sendo que CA e CC correspondem, respectivamente, às abreviacões de corrente alternada e corrente continua.

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Entrada

Saída

Tensão

Corrente

Tensão

Corrente

3.1. CONVERSORES CC – CC

Funções dos conversores CC - CC

• Converta a energia CC em outro nível de energia DC

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Recursos de conversores CC / CC

3.1. CONVERSORES CC – CC

➢ Step-up, ➢ step-down, ➢ ambos, ➢ inverso ➢ Controlo PWM

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sity

3.1. CONVERSORES CC – CC

Desvantagens

• Estrutura complicada

• Alta sensibilidade a inferência eletromagnética (EMI)

Vantagens

• Alta eficiência

• baixo custo

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Topologias de conversores CC /CC

3.1. CONVERSORES CC – CC

• Tipos de conversores CC / CC

▪ Tipos não isolados ➢ menor e mais leve ➢ Custos mais baixos ▪ Tipos isolados

➢ Converte eficientemente a tensão com alta proporção ➢ Melhor capacidade de filtragem de ruído

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

3.1. CONVERSORES CC – CC

Topologias de conversores CC / CC

Conversores CC / CC não isolados (tipos clássicos)

• Buck Converter (step-down)

• Boost Converter (step-up)

• Conversor Buck-boost (inverso, step-up / step-down)

• Ćuk Conversor (inverso, step-up / step-down)

• Conversor Zeta (step-up / step-down)

• Conversor sépico (step-up / step-down)

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Aplicações

3.1. CONVERSORES CC – CC

• fontes de alimentação CC

• (SMPS)

• Carregadores de bateria

• Conversores de correção do fator de

potência (PFCC)

• Drives de motor

• Tipo de escova e Drives CC sem escova

• Drives de motor de relutância comutada (SRM)

• Veículos elétricos

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DC-DC Converters

DC converters are power electronic circuits that convert a DC voltage

• Os conversores DC-DC são circuitos eletrônicos de energia que convertem uma tensão CC para um nível de tensão CC diferente, fornecendo

frequentemente uma saída regulada.

• UM CONVERSOR DE INTERRUPTOR BÁSICO • Uma alternativa eficiente fonte linear

• Utiliza interruptores eletrônicos de energia como BJT, MOSFET IGBT ...

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DC-DC Converters

Figure: (a) A basic DC-DC switching converter; (b) Switching equivalent; ( c) Output voltage.

✓ Supondo que a chave é ideal

• A saída é igual a entrada quando a chave está fechada

• E a saída é zero quando a chave está aberta

✓ A abre e fecha da chave dá a saída uma onda pulsante ‘pwm’

✓ A media da component DC da saída é 𝑉_𝑜 = 1 𝑇න 0 𝑇 𝑣_𝑜 𝑡 𝑑𝑡 = 1 𝑇න 0 𝐷𝑇 𝑉_𝑠𝑑𝑡 = 𝑉_𝑠𝐷 න

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DC-DC Converters

𝐷 ≡

𝑡

𝑜𝑛

𝑡

_𝑜𝑛

+ 𝑡

_𝑜𝑓𝑓



A component DC da tensão de saída, será menor ou igual a tensão de

entrada do circuito



Chave idealzero em perdas A current é Zero na chave quando a

chave está desligada



Chaves reais têm perdas consideraveis devido a criação de calor na

chave.

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17 3.1. CONVERSORES CC – CC

Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Nos conversores CC-CC a tensão de saída deve ser controlada mediante alterações na tensão de entrada. Isto é feito controlando os tempos em que as chaves semicondutoras estão ligadas ou desligadas.

Para ilustrar este conceito utiliza-se o conversor abaixador elementar da a seguir. O valor médio da tensão de saída depende dos tempos ton e toff. O método de controle empregando freqüência de comutação constante e controlando-se o tempo de condução da chave é denominado Modulação por Largura de Pulso (PWM – Pulse Width Modulation).

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18 3.1. CONVERSORES CC – CC

Modulação por Largura de Pulso (PWM)

Por exemplo, desejando-se diminuir o valor médio da tensão de saída (Vo), basta reduzir o tempo de condução da chave S (ton). A relação entre o tempo de

condução da chave ton e o período total de comutação T é definido por razão cíclica (D). t D = on T S + vo o -ton toff T

Fig. 7.1 - Conversor abaixador elementar.

- Vin Vin V

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19 3.1. CONVERSORES CC – CC

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20 3.1. CONVERSORES CC – CC

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21 3.1. CONVERSORES CC – CC

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22 3.1. CONVERSORES CC – CC

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23 3.1. CONVERSORES CC – CC

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24 3.1. CONVERSORES CC – CC

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25 3.1. CONVERSORES CC – CC

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26 3.1. CONVERSORES CC – CC

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Vista de cima

Vista de baixo

Cabo USB

Software de programação Arduino + Software + Conexão

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Microcontrolador ATmega328

Tensão de funcionamento 5V

Tensão de entrada (recomendado) 7-12V

Tensão de entrada (limites) 6-20V

Pinos de entra Digital (I O) 14 (dos quais 6 oferecem saída PWM)

Pinos de entrada analógica 6

Corrente DC por pinos (IO) 40 mA

Corrente DC para 3.3V Pin 50 mA

Memória Flash 32 KB ( ATmega328 ), dos quais 0,5 KB

utilizados pelo carregador de inicialização

RAM 2 KB ( ATmega328 )

EPROM 1 KB ( ATmega328 )

Velocidade do relógio 16 MHz

Arduino Uno

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Microcon-trolador

ATMEGA 328P

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Portas Digitais

Portas Analógicas

ground (terra) ground (terra)

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Conexão USB

Conexão

Energia Externa

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Conexão USB Conexão Energia Externa Botão Reset Microcon-trolador ATMEGA 328P Portas Digitais Portas Analógicas ground (terra) ground (terra)

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Software de Programação

Tools - seleciona o tipo de Arduino e a porta COM Verify – compila a programação Upload – envia a programação para o Arduino Serial Monitor – monitor de dados Sketch – palco da programação

Prática PWM

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PWM – DC Motor

int analogInPin = A0; int sensorValue = 0; int outputValue = 0; int transistorPin = 3; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(8, OUTPUT); pinMode(9, OUTPUT); pinMode(transistorPin, OUTPUT); } void loop() { sensorValue = analogRead(analogInPin)/4; outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); analogWrite(transistorPin, sensorValue); if (sensorValue >= 160) { digitalWrite(8, HIGH); digitalWrite(9, LOW); }

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PWM – DC Motor

} else { digitalWrite(9, HIGH); digitalWrite(8, LOW); } delay(10); }

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PWM – LED

const int analogPin = A0;//the analog input pin attach to analog pin A0 const int ledPin = 9;//the led attach to pin 9

int inputValue = 0;//variable to store the value coming from sensor int outputValue = 0;//variable to store the output value

void setup() {

}

void loop() {

inputValue = analogRead(analogPin);//read the value from the sensor

outputValue = map(inputValue,0,1023,0,255);//Convert from 0-1023 proportional to the number of a number of from 0 to 255

analogWrite(ledPin,outputValue);//turn the led on depend on the output value }

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