Prática de Acionamentos Eletrônicos – PAE_04 Prof. Cesar da Costa AULA 03: Choppers (Introdução)

1. Introdução O chopper é utilizado para obter uma tensão DC variável a partir de uma fonte DC constante. Controlando-se o tempo em que a saída fica ligada a alimentação de entrada, controla-se o valor médio da tensão de saída. Conversor de fonte DC fixa em uma fonte DC variável. Um chopper converte diretamente de DC para DC e é conhecido com um conversor DC-DC.

1.1 Os choppers são amplamente utilizados em: Controle de tração de motores em automóveis elétricos; Trolebus; Guindastes; Empilhadeiras;

Transporte em minas; Frenagem regenerativa de máquinas CC, para devolver energia para sistemas de transporte com paradas frequentes (Metrô). Eles fornecem controle de aceleração suave, alta eficiência e resposta dinâmica rápida.

Essa conversão pode ser obtida pela combinação de um indutor e/ou capacitor e um dispositivo de estado solido que opere no modo de chaveamento em alta frequência. A principal técnica de chaveamento usada em chopper’s DC e denominada PWM (Pulse Width Modulation).

Há dois tipos fundamentais de circuitos chopper: step-down ou buck e o step-up ou boost. O chopper buck tem como característica uma tensão na saída menor ou igual a tensão de entrada. O chopper boost fornece uma tensão na saída maior ou igual a tensão de entrada.

Os dois tipos de choppers são bastante utilizados na industria em aplicações que envolvem fontes constantes, por exemplo: Controle de motores DC para tração elétrica; Chaveamento de alimentadores de potencia, UPS (uninterruptible power supplies); Equipamentos operados por bateria.

2. Circuito Básico

Uma chave é ligada a uma fonte DC (Vi) em série ou em paralelo Uma chave é ligada a uma fonte DC (Vi) em série ou em paralelo. A chave S pode ser um transistor de potência, um SCR ou um tiristor GTO, que quando acionada (Ton) permite um caminho alternativo de corrente e quando aberta (Toff) cessa este caminho, alterando assim o período de alimentação da carga.

Considerando condições ideais, a perda de potência no chopper é zero Considerando condições ideais, a perda de potência no chopper é zero. Assim, a potência de saída é igual a potência de entrada:

Suponha que a tensão de saída seja ajustável em uma faixa de zero ao nível de entrada. A operação da chave será de tal modo que ela esteja ligada (fechada) por um tempo TON e desligada (aberta) por um tempo TOFF em cada ciclo de período T prefixado.

A forma de onda resultante da tensão de saída é um trem de pulsos retangulares de duração TON, como mostrado na figura abaixo: Pode-se observar que a tensão instantânea na carga é zero (chave desligada) ou Vi (chave ligada).

A tensão média (DC) na saída em um ciclo é dada de acordo com as áreas dos respectivos retângulos:

(Igualando as áreas) Onde:

A frequência de chaveamento do chopper é: Se utilizarmos a ideia de ciclo de trabalho (d) , que é uma relação entre largura de pulso e o período da forma de onda temos: Temos:

Se o chopper está ligado o tempo inteiro: Logo:

A equação mostra que a tensão de saída varia, de modo linear, com o ciclo de trabalho. A figura abaixo mostra a tensão de saída a medida que d varia de zero a um.

A corrente na carga é dada por: Logo:

O valor eficaz (RMS) da tensão de saída:

Os valores médios de tensão de saída, de potência de saída e de potência de entrada são dados por:

Como os elementos são ideais (sem perdas) a potência DC drenada da fonte deve ser igual a potência DC absorvida pela carga: Logo temos: Vale lembrar que:

4. Técnicas de Controle O controle da tensão de saída (Vo) e realizada por meio do chaveamento que pode ocorrer de duas formas: a) Modulação por largura de pulso (PWM – pulse width modulation); b) Modulação por frequência de pulso (PFM – pulse frequency modulation).

PWM – Pulse Width Modulation Neste método de controle, a largura do pulso ligado (ton) varia enquanto o período de chaveamento total (T) é constante.

A figura abaixo mostra como as formas de onda de saída variam a medida que o ciclo de trabalho aumenta:

Exercícios de Aplicação: 1.Observe a figura abaixo e determine o valor da tensão de entrada e o valor rms da tensão de saída.

Exercícios de Aplicação: Solução: 1. A tensão de entrada pode ser determinada por: 2. A tensão RMS de saída fica:

PFM – Pulse-Frequency Modulation Neste método de controle, a largura do pulso ligado (ton) é constante enquanto o período (frequência) de chaveamento total (T) varia.

Técnicas de Controle No método PFM é necessário reduzir a frequência de chaveamento do chopper para obter um tensão de saída mais baixa. Isto pode resultar em descontinuidade nas baixas frequências; sendo que a redução na frequência aumenta a ondulação na saída e consequentemente aumento das perdas na carga (potencia e calor).

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

5. Topologias de CHOPPERS Básicamente os Chopper podem apresentar as seguintes topologias: Choppers step-down (Buck). Choppers step-up (Boost). Choppers Buck-Boost ou ainda Cúk

6. Choppers step-down (Buck) Um arranjo prático do Buck é mostrado na figura que inclui um indutor L e um diodo D (FWD) para eliminar as pulsações de corrente. Este circuito fornece uma corrente DC linear para cargas práticas como um motor DC.

6. Choppers step-down (Buck) Quando a chave S for fechada, o diodo D ficara desligado (reversamente polarizado) e ficara assim durante todo o tempo TON. A corrente cresce e flui através do indutor e da carga. • A tensão de saída e igual a Vi.•

6. Choppers step-down (Buck) Quando a chave e aberta, a corrente no indutor começa a cair (não varia de modo instantâneo). Dessa forma, é induzida no indutor uma tensão de polaridade oposta.

6. Choppers step-down (Buck) O diodo D ficara diretamente polarizado, proporcionando um caminho de circulação de corrente. • Esse circuito proporciona uma corrente DC linear satisfatória na carga, para varias aplicações.

6. Choppers step-down (Buck) • Quando a frequência de chaveamento for alta, uma indutância relativamente pequena será suficiente para reduzir a ondulação a um grau aceitável.

Modo de Corrente Contínua A onda (a) mostra a forma de onda da tensão na carga, quando a chave S esta ligada e ainda a tensão que aparece na carga quando o diodo D esta ligado.

Modo de Corrente Contínua No momento em que a chave S e aberta, a tensão de saída mantém em zero pela ação do diodo D, que fornece um caminho para a corrente na carga.

Modo de Corrente Contínua Na onda (b) tem-se a forma de onda da corrente no diodo. E a mesma da carga durante TOFF. • Em TON a corrente de saída Io e a mesma da de entrada Ii.

Modo de Corrente Contínua Quando a chave for aberta, a corrente na carga cairá de seu valor Maximo Imax a um valor final Imin.

Modo de Corrente Contínua Quando tiver caído a um valor Imin, ocorrerá o fechamento da chave, a corrente no diodo para de fluir e a corrente fornecida pela fonte vale Imin.

Modo de Corrente Contínua A corrente na carga começa a aumentar e alcança novamente Imax, depois de um tempo TON, quando novamente a chave S abre e o ciclo se repete.

Modo de Corrente Contínua A corrente na carga oscila entre Imax e Imin. A ondulação incluída na corrente de saída reduz-se a medida que a frequência de chaveamento aumenta.

Modo de Corrente Contínua Embora a corrente na carga de um chopper seja basicamente constante, na entrada ela ainda consiste em um trem de pulsos agudos. A onda (c) mostra a forma de onda para a fonte de corrente.

Modo de Corrente Contínua Um filtro capacitivo costuma ser usado em paralelo com a fonte de potencia de entrada para manter a linearidade da corrente de entrada.

Modo de Corrente Contínua As formas de onda apresentadas pressupõem uma frequência de chaveamento e uma carga, tal que T<< . Aqui, e a constante de tempo do circuito e depende da relação L / R. Pode-se observar que a corrente de saída é linear e a ondulação, bem pequena, devido a constante de tempo grande.

Modo de Corrente Contínua Como a corrente na saída (Io) esta sempre presente, esse modo de operação e chamado modo de corrente contínua de operação. A corrente na saída é contínua porque o indutor absorve energia durante TON e a descarrega em TOFF. Pode-se reduzir a corrente de ondulação aumentando-se a frequência de chaveamento do chopper ou o valor do indutor.

6. Buck : Modo contínuo (Ciclo de Trabalho) (Tensão Média de Saída) (Corrente Média de Saída) (Tensão Eficaz de Saída)

6. Buck : Modo contínuo (Corrente Máxima de Saída) (Corrente Mínima de Saída (Corrente de Ondulação ou pico a pico) (Corrente Média no Diodo)

Exercício de Aplicação Na figura abaixo, a frequência de chaveamento é de 25Hz e TON = 3ms. Determine a fonte de corrente media se o valor médio da corrente de saída for de 40A.

Exercício de Aplicação Solução: