CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)

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1 CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
Qualquer sistema de potência a semicondutor empregado para retificar, inverter, ou mesmo para modular a potência de saída de uma fonte de energia DC ou AC é chamado de sistema conversor ou sistema de condicionamento de potência.

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Nessa seção estamos interessados num tipo de conversor chamado “chopper” (que pode ser traduzido por cortador, pulsador, interruptor, etc.) que, devido ao princípio de operação, permite variar a tensão média DC aplicada a uma dada carga sem que ocorra uma grande dissipação de potência nos elementos chaveadores (tiristores ou transistores).

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O “chopper” é colocado entre a carga e a fonte DC como mostra a figura 1 (A). Consideraremos como carga um circuito constituído de uma resistência, uma indutância e uma fonte de tensão contínua VC .

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A forma como a tensão média é reduzida abaixo da tensão da fonte está ilustrada na Fig. 1b. A figura mostra que o “chopper” aplica um trem de pulsos de tensão na carga 2 cuja magnitude é a mesma da fonte. A tensão na carga Vo pode ser variada de três diferentes maneiras.

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1. TON pode variar enquanto o período T é mantido constante - Pulse Width Modulation (PWM). 2. TON pode ser mantido constante enquanto o período T pode ser variado - Frequency Modulation (FM). 3. Combinação entre PWM e FM.

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O princípio fundamental de um choper básico é ilustrado à seguir. Uma chave é ligada em série com a fonte da tensão DC (vi) e a carga. A chave S pode ser um transistor de potência, um SCR ou um outro tiristor. Supõe-se que os dispositivos de chaveamento sejam ideais. As chaves ideais possuem as seguintes carcterísticas:

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Resistência zero quando ligadas. Resistência infinita quando desligadas. Podem chavear instantaneamente a partir de cada um dos dois estados.

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Em condições ideais, a perda de potência no chopper é zero. Portanto, a potência de saída é igual a perda de potência de entrada. Vo Io = Vi Ii Onde Vo  tensão média de saída Vi  tensão de entrada Io  corrente média de saída Ii  corrente média na entrada

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Suponhamos que a tensão de saída seja ajustável em uma certa faixa, de zero ao nível de entrada. Vamos operar a chave de tal modo que ela esteja ligada (fechada) por um tempo Ton e desligada (aberta) por um tempo Toff em cada ciclo de um período T prefixado. A forma de onda resultante da tensão de saída é um trem de pulsos retangulares de duração Ton.

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A figura anterior mostra que a tensão instantânea na carga é zero (S desligado) ou Vi (S ligada). A tensão média (DC) na saída em um ciclo é dada por: Onde T é o período (Ton + Toff). A frequência de chaveamento do chopper é: f = 1/T

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Se utilizarmos a idéia do ciclo de trabalho (d), que é a relação entre a largura do pulso Ton e o período da forma de onda,

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A equação anterior mostra que a tensão de saída varia, de modo linear, com o ciclo de trabalho. A figura a seguir mostra a tensão de saída à medida que d varia de zero a um. É, portanto, possível controlar a tensão de saída na faixa de zero a Vi.

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Se a chave for um transistor, a corrente de base controlará os períodos ligado e desligado da chave do transistor. Se a chave for um tiristor, um pulso positivo na porta o passará para o estado ligado, enquanto um pulso negativo o levará ao estado desligado. Se a chave for um SCR, um circuito de comutação será necessário para passá-lo ao estado ligado.

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A forma de onda da corrente na carga é similar a figura que mostra Ton e Toff, e seu valor médio é dado por:

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O valor eficaz (RMS) da tensão de saída é:

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A tensão média de saída pode ser variada por uma das seguintes maneiras: 1 – Modulação PWM – pulse-width modulation – Modulação por largura de pulso. 2 – Modulação PFM – pulse frenquency modulation – Modulação por frequência de pulso.

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Modulação PWM Nesse método, a largura do pulso Ton varia enquanto o período de chaveamento total T é constante. A figura a seguir mostra como as formas de onda de saída variam à medida que o ciclo de trabalho aumenta.

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Modulação PFM Nesse método, Ton é mantido constante enquanto o período (frequência) varia. Como será mostrada na figura a seguir, a tensão de saída reduz-se à medida que a frequência diminui e é alta nas frequência mais altas.

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Tanto para o controle por PWM, a tensão de saída é nula quando a chave S estiver aberta e é igual à tensão de entrada quando a chave estiver fechada por um período superior ao ciclo de chaveamento normal.

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No método PFM é necessário reduzir a frequência de chaveamento do chopper para obter uma tensão de saída mais baixa. Isso pode resultar em uma descontinuidade nas baixas frenquências.

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Mais ainda, a redução na frequência aumenta a ondulação da corrente de saída e, em consequência disso, as perdas e o calor na carga aumentam. Por outro lado, as perdas nas componentes se tornam muito altas nas frequências mais altas.

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O método PWM tem a vantagem da baixa ondulação, o que significa componentes menores para o filtro.