Seminário de Eletrônica Industrial II Prof. Márcio Abud Junho/2009 Rodrigo C. SÁtiro 06526-3 Vitor Moreira Peres 04238-3

Princípio básico de operação: Considerado uma chave ideal; Fornece potência alternada para a carga.

Ton = tempo de condução do chopper T = período

Valor médio da tensão: d = ; d = duty cicle – determina o nível médio de tensão na carga.

Duty Cicle Duas formas de controle: Frequência constante: modulação PWM (mais usado); Frequência variável: T variável e Ton e Toff constantes.

Aplicações

Aplicações Outras aplicações: - Fontes de alimentação DC; - Carregadores de bateria; - Reguladores chaveados; - Aquecimento resistivo; - Controle de lasers de diodo.

Vantagens Maior economia de energia em veículos operados por bateria; Frenagem regenerativa; Diminuição das correntes de partida; Variação mais uniforme da aceleração; Menor manutenção; Rápida resposta a perturbações.

REGULADORES CHAVEADOS Os Choppers podem ser utilizados como reguladores chaveados, para converter uma tensão CC, em geral não regulada, em uma tensão CC regulada de saída. A regulação normalmente é conseguida por modulação em largura de pulsos a uma frequência fixa, sendo o dispositivo de chaveamento na maioria das vezes um TJB, MOSFET ou IGBT de potência. NOTA: O projetista pode selecionar a frequência de chaveamento escolhendo os valores de R e C do oscilador. Como uma regra prática, para maximizar a eficiência, o período mínimo do oscilador deve ser 100 vezes maior que o tempo de chaveamento do transistor.

REGULADORES CHAVEADOS A tensão de controle vg pode ser obtida comparando-se a tensão de saída com seu valor desejado; vc pode ser comparado com um tensão dente de serra vr para gerar o sinal de controle PWM para o Chopper.

REGULADORES CHAVEADOS Há quatro topologias básicas de reguladores chaveados: Reguladores BUCK; Reguladores BOOST; Reguladores BUCK-BOOST; Reguladores CÚK.

REGULADOR BUCK Em um regulador Buck, a tensão média de saída Va é menor que a tensão de entrada Vs, caracterizando-se assim um Regulador Abaixador.

REGULADORES BUCK

E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1: E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:

REGULADOR BUCK Os reguladores Buck requerem apenas um transistor, são simples e têm eficiência elevada, maior que 90%.; O di/dt da corrente de carga é limitado pelo indutor L. Entretanto, a corrente de entrada é descontínua e um filtro de alisamento de entrada normalmente é requerido; Ele fornece uma polaridade da tensão de saída e a corrente de saída é unidirecional; Ele requer um circuito de proteção em caso de possível curto-circuito através do caminho do diodo.

Um regulador Boost utilizando um MOSFET de potência é mostrado abaixo: Em um regulador Boost a tensão de saída é maior que a tensão de entrada.

REGULADOR BOOST Quando o transistor está conduzindo, o capacitor fornece a corrente de carga por t = t1.

E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1: E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:

REGULADOR BOOST Um regulador Boost pode elevar a tensão de saída sem um transformador; Devido ao único transistor, ele tem uma eficiência elevada; A corrente de entrada é contínua. Entretanto, um alto pico de corrente tem de fluir através do transistor de potência; A tensão de saída é muito sensível a variações no ciclo de trabalho k e pode ser difícil estabilizar o regulador; A corrente média de saída é menor que a corrente média do indutor por um fator de (1-k) e uma corrente eficaz muito mais elevada flui através do capacitor de filtro, resultando na utilização de um capacitor e um indutor de filtro maiores que aqueles de um regulador buck. Supondo um circuito sem perdas:

Este regulador também é conhecido como regulador inversor. REGULADOR BUCK-BOOST Um regulador buck-boost fornece uma tensão de saída que pode ser menor ou maior que a tensão de entrada; a polaridade da tensão de saída é oposta à da tensão de entrada. Este regulador também é conhecido como regulador inversor.

REGULADOR BUCK-BOOST

E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Supondo que a corrente no indutor cresça linearmente de I1 a I2 no tempo t1: E a corrente no indutor caia linearmente de I2 a I1 no tempo t2: Encontrando o valor de ∆I nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média de saída como:

REGULADOR BUCK-BOOST Um regulador buck-boost fornece polaridade inversa da tensão de saída sem um transformador; Ele tem eficiência elevada; Sob condição de falta do transistor, o di/dt da corrente de falta é limitado pelo indutor L e será Vs/L; A proteção de curto-circuito de saída é fácil de ser implementada; Entretanto, a corrente de entrada é descontínua e um pico de corrente elevada flui através do transistor Q1.

REGULADOR CÚK Similar ao regulador buck-boost, o regulador Cúk fornece uma tensão de saída que é menor ou maior que a tensão de entrada, mas com a polaridade oposta à esta. Quando a tensão de entrada é ligada e o transistor Q1 desligado, o diodo Dm é diretamente polarizado e o capacitor C1 carregado através de L1, Dm e da tensão de entrada Vs.

REGULADOR CÚK

Encontrando o valor de ∆I1 nas equações anteriores, obtém-se: Supondo que a corrente no indutor L1 cresça linearmente de IL11 a IL12 no tempo t1: E devido ao capacitor carregado C1, a corrente no indutor L1 caia linearmente de IL12 a IL11 no tempo t2: Onde, Vc1 é a tensão média no capacitor C1. Encontrando o valor de ∆I1 nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média no capacitor C1:

Encontrando o valor de ∆I2 nas equações anteriores, obtém-se: Supondo que a corrente no indutor L2 cresça linearmente de IL21 a IL22 no tempo t1: E a corrente no indutor L2 caia linearmente de IL22 a IL21 no tempo t2: Encontrando o valor de ∆I2 nas equações anteriores, obtém-se: Substituindo t1=kT e t2=(1-k)T, obtém-se a tensão média no capacitor C1:

REGULADOR CÚK Igualando as duas equações de Vc1 encontradas anteriormente, encontra-se a tensão média de saída como: O regulador CúK baseia-se na transferência de energia do capacitor. Como resultado, a corrente de entrada é contínua. O circuito tem baixas perdas de chaveamento e eficiência elevada. Quando o transistor Q1 está conduzindo, ele suporta correntes dos indutores L1 e L2. Consequentemente, um pico elevado de corrente flui através dele. Como o capacitor possibilita a transferência de energia, a ondulação de corrente do capacitor C1 também é elevada. Esse circuito também requer um capacitor e um indutor adicionais.

REGULADORES CHAVEADOS Limitações da Conversão em um Único Estágio

CONVERSORES CC-CC ISOLADOS

CONVERSOR BUCK FULL-BRIDGE

BUCK HALF-BRIDGE

CONVERSOR FORWARD

CONVERSOR FLYBACK

BUCK PUSH-PULL ISOLADO

OUTROS CONVERSORES ISOLADOS

Chopper em motor DC Um quadrante: operação apenas de motorização ou de regeneração Dois quadrantes: operação de motorização e frenagem regenerativa com um único sentido de giro do motor Quatro quadrantes: operação de motorização e frenagem regenerativa com sentidos de giro diferentes

Chopper de Um Quadrante Primeiro quadrante: tensão e corrente são positivas.

Chopper de Um Quadrante Segundo quadrante: tensão positiva e corrente negativa.

Chopper de Dois Quadrantes Tipo A: inverte o sentido da corrente mas mantém o mesmo sentido da tensão.

Operação de motorização: CH1 “on” e D1 “off” CH1 “off” e D1 “on”

Operação de regeneração: CH2 “on” e D2 “off” CH2 “off” e D2 “on”

Chopper de Dois Quadrante Tipo B: inverte o sentido da tensão mas mantém o mesmo sentido da corrente.

Operação de motorização: CH1 “on” e CH2 “on” CH1 “off” e CH2 “on”

Operação de regeneração:

Chopper de Quatro Quadrantes Inverte o sentido da corrente e da tensão no motor.

Operação de motorização no sentido 1: CH4 está sempre “on” e CH1 fica chaveando.

Operação de regeneração no sentido 1: CH1, CH3 e CH4 sempre “off” e CH2 fica chaveando. Não há necessidade de inverter a tensão Ea.

Operação de motorização no sentido 2: CH2 sempre “on” e CH3 fica chaveando.

Operação de regeneração no sentido 2: CH1, CH2 e CH3 sempre “off” e CH4 fica chaveando.

TIPOS DE COMUTAÇÃO Os diferentes tipos de chopper são funções dos circuitos de comutação, ou seja, dos circuitos auxiliares que devem comutar o SCR principal, que conduz corrente contínua. Basicamente os circuitos de comutação são classificados em: · Comutação pela carga (load commutation) : neste tipo de circuito, a corrente da carga que flui pelo tiristor principal torna-se nula, ou é transferida para outro tiristor auxiliar, que neste caso comuta com o tiristor principal; · Comutação forçada (forced commutation) : a corrente pelo tiristor principal é forçada a anular-se, levando-o ao bloqueio; · Comutação por tensão (voltage commutation) : um capacitor pré-carregado polariza reversamente (durante um reduzidíssimo intervalo de tempo) o tiristor principal bloqueando-o; · Comutação por corrente (current commutation) : um pulso de corrente é aplicado ao catodo do tiristor principal, anulando a corrente que circula por ele, bloqueando-o quando a corrente resultante for nula.

COMUTAÇÃO PELA CARGA Inicialmente disparam-se S1 e S2 e o capacitor C carrega-se com polaridade indicada na figura, até que Vc seja igual a E e a corrente ic anula-se. Quando S3 e S4 são disparados, eo torna-se igual a (E + Vc), que resulta numa tensão inicial igual a 2E na carga. Com S3 e S4 conduzindo, a polaridade do capacitor tende a se inverter de E para –E. Neste ponto, a corrente ic tende novamente a ser nula, o que bloqueia os tiristores S3 e S4 e faz novamente o diodo DFW conduzir.

COMUTAÇÃO POR TENSÃO Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em primeiro lugar para carregar o capacitor C. Disparando Q2, a corrente circulará pela fonte, pelo capacitor, que será carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga. Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação, podendo ser disparado o tiristor principal que é Q1. Isso faz com que seja aplicada a tensão V à carga.

Como um circuito LC tem característica oscilatória, a corrente i, que circulará pelo circuito será senoidal, começando de zero, atingindo um máximo e depois voltando a zero. Quando a corrente se anular, o capacitor terá invertido a tensão nos seus terminais, ficando portanto com Vc < 0. No momento em que for desejada a comutação de Q1, dispara-se Q2. A tensão Vc < 0 do capacitor será colocada em paralelo com Q1 bloqueando-o, e, a corrente de carga passará a circular por Q2 de modo a fazer com que o capacitor novamente carregue-se com Vc > 0. Assim, o ciclo repete-se sucessivamente, com Q1 sendo disparado para “fechar” a chave e, Q2 disparado para “abrir” a chave.

COMUTAÇÃO POR CORRENTE Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em primeiro lugar para carregar o capacitor C. Disparando Q2, a corrente circulará pela fonte, pelo capacitor, que será carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga. Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação, podendo ser disparado o tiristor principal que é Q1. Isso faz com que seja aplicada a tensão V à carga.

COMUTAÇÃO POR CORRENTE Para que o circuito funcione corretamente, Q2 deve ser disparado em primeiro lugar para carregar o capacitor C. Disparando Q2, a corrente circulará pela fonte, pelo capacitor, que será carregado com Vc > 0, por Q2 e pelo circuito de carga. Uma vez carregado o capacitor, o circuito está preparado para a comutação, podendo ser disparado o tiristor principal que é Q1. Isso faz com que seja aplicada a tensão V à carga.

COMUTAÇÃO POR CORRENTE Há um novo circuito oscilante composto por CLS1D2. Quando a corrente ic2 for igual a is1, o tiristor S1 bloqueia. Admite-se que o indutor Ld seja capaz de manter constante a corrente io. Um outro circuito oscilante é o constituído por CLD2D1. O diodo D1 conduz o excesso de corrente io-ic3. Quando ic3 = io, o diodo D1 bloqueia.

COMUTAÇÃO POR CORRENTE A partir daí, S1, S2 e D1 estão bloqueados e a carga é alimentada por CLD2. A tensão no capacitor C cresce até que DFW fique polarizado diretamente. Uma informação adicional é que este tipo de chopper é utilizado no metrô de Toronto (Canadá) e foi originalmente desenvolvido pela Hitachi Electric Co.

FIM MUITO OBRIGADO A TODOS!