ELETRÔNICA DE POTÊNCIA

GERAÇÃO DE PWM DE FORMA DISCRETA

Discentes:

Guilherme Bruni Vincenzi

Willian Ricardo Bispo Murbak Nunes

Docentes:

André Luis Batista Ferreira

Carlos Henrique Gonçalves Treviso

Londrina

2011

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA

CENTRO DE TECNOLOGIA E URBANISMO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

GERAÇÃO DE PWM DE FORMA DISCRETA

Trabalho apresentado à disciplina de

Eletrônica de Potência, do curso de

Engenharia Elétrica, ministrado pelos

professores André Luiz Batista Ferreira e

Carlos Henrique Gonçalves Treviso, da

Universidade Estadual de Londrina.

Londrina

2011

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS _________________________________ 4

2. REVISÃO DE LITERATURA ___________________________________ 5

3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL _____________________________ 9

3.1. Materiais Utilizados _____________________________________ 9

3.2. Procedimentos ________________________________________ 10

4. RESULTADOS ____________________________________________ 12

4.1. Implementação do gerador PWM _________________________ 12

4.2. Questões _____________________________________________ 14

5. CONCLUSÃO _____________________________________________ 16

6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ______________________________ 18

7. ANEXOS _________________________________________________ 19

A. Amplificador Operacional CA3140 ________________________ 19

B. Transistor BC549 ______________________________________ 20

C. Transistor BC557 ______________________________________ 21

D. Regulador TL431 ______________________________________ 22

E. CD4027 ______________________________________________ 23

F. CD4081 ______________________________________________ 24

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1. INTRODUÇÃO E OBJETIVOS

Com o acelerado avanço da tecnologia e o crescente desenvolvimento

de equipamentos eletrônicos, principalmente nas áreas de telecomunicações e

sistemas de computadores, surge a necessidade de desenvolver fontes de

alimentação de alto desempenho, elevada eficiência e reduzido volume. Tais

fontes são implementadas fazendo-se uso de conversores estáticos de energia,

nos quais chaves eletrônicas, por exemplo, MOSFET (Metal-Oxide-

Semiconductor Field-Effect Transistor) e IGBT (Insulated Gate Bipolar

Transistor) controlam o fluxo de energia entre a fonte e a carga. Para que isso

seja possível, são criados os conversores de tensão, dentre os quais se

destaca o conversor Buck.

Nesta experiência de laboratório será implementada e avaliada a

geração de Modulação por Largura de Pulso (PWM) para um conversor Buck.

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2. REVISÃO DE LITERATURA

De acordo com CORTIZO (2002), as fontes chaveadas derivam de

estruturas básicas de conversores CC-CC. A estrutura mais conhecida é o

conversor abaixador de tensão apresentado na figura 1 e denominada na

literatura conversor "Buck".

Figura 1 – Circuito básico do conversor buck.

Figura 2 - Formas de onda de corrente no indutor e tensão de entrada do filtro LC

O transistor Q1 é usado como uma chave que tem seus tempos de

condução (tON) e corte (tOFF) comandados pelo circuito modulador de largura de

pulsos. Quando Q1 está conduzindo, energia é transferida da fonte VIN para a

carga através do indutor L1. Nesta condição D1 está polarizado reversamente

e o capacitor CO é carregado. Quando Q1 é desligado, o indutor força a

condução do diodo D1 e a corrente de carga passa por L1 e D1.

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A figura 2 mostra as formas de onda de tensão VA e corrente IL no

indutor L1. A tensão VA é filtrada pelo filtro de segunda ordem constituído por

L1, C0 e RL, garantindo uma tensão contínua, com baixo ripple na saída.

Resumindo, os conversores do tipo Buck são os mais utilizados

atualmente, em função das boas características obtidas com a tensão de saída

e com o baixo ripple na mesma. Seu funcionamento baseia-se no

armazenamento de energia no indutor sob a forma de corrente e com tensão

de saída dependendo da amplitude e da largura dos pulsos. Além disso,

destaca-se também como característica do conversor Buck a boa regulação

quanto a variações de corrente, já que o ganho estático não depende da

corrente de saída.

in

out

V

VG = (1)

Vale ressaltar que para o conversor Buck funcione é necessário um

circuito que proporcione pulsos de tensão a serem aplicados na chave.

Além do mais é fundamental que haja uma forma de controlar a largura

de tais pulsos. Uma proposta adequada de fazer tal controle pulsos é utilizando

uma técnica denominada modulação por largura de pulsos (PWM).

Segundo AHMED (2000), um circuito PWM faz a modulação de um sinal

por largura de pulso e pode ser compreendido pensando em uma carga, a qual

está ligada a uma fonte com um interruptor que se abre e fecha

periodicamente. O interruptor fechado define a largura do pulso pelo tempo que

ele fica nesta condição. Transferindo assim a tensão do circuito à carga. O

intervalo entre os pulsos é definido também pelo tempo em que o interruptor

fica aberto. Neste instante, a tensão sobre a carga se torna nula.

Uma proposta a ser utilizada para o conversor Buck é apresentada na

figura a seguir, a qual consiste de um gerador de Modulação por Largura de

Pulso (PWM) implementado de forma discreta.

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Figura 3 – Esquema elétrico para geração do PWM com o conversor Buck.

Ora, a modulação em fontes de alimentação envolve a modulação de

sua razão cíclica (duty cicle) para transportar informação ou um valor de tensão

que será entregue à carga.

No circuito proposto é utilizado um circuito de fonte de corrente, através

do qual é gerada uma forma de onda dente de serra, uma vez que a tensão de

carregamento do capacitor é linear. Por conseguinte, este sinal vai para a

entrada não-inversora do comparador CA3140. Na entrada inversora do

CA3140, é colocada uma tensão de referência, determinada a partir da tensão

de emissor do BC549, o qual está polarizado pelo regulador de tensão

ajustável TL431.

Seguindo com o funcionamento do circuito, a tensão de saída do

CA3140 faz uma realimentação positiva e prossegue para a entrada inversora

de outro circuito comparador, sendo comparada com a tensão de erro. Esta

comparação determina o estado do flip flop JK, ou seja, tempo em que o sinal

fica em alto ou em baixo. Após isso, a tensão de saída vai para a entrada de

um flip flop JK e as suas saídas são comparadas com o sinal de clock em

duas portas AND, sendo posteriormente chaveadas pelos transistores BC549.

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As saídas D1 e D2 são ligadas à entrada do drive do conversor Buck,

controlando assim o tempo em que o sinal fica em alto e em baixo, ou seja,

modulando a largura do pulso.

Feita a exposição sobre a teoria, são mostrados a seguir os

procedimentos experimentais relativos ao estudo da geração de Modulação por

Largura de Pulso para o conversor Buck.

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3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Utilizando-se como referência a proposta de FERREIRA (2011)

implementou-se o aparato experimental com as seguintes especificações.

3.1. Materiais Utilizados

Para a realização do experimento fez-se necessário utilizar os seguintes

equipamentos.

- 1 protótipo de um Conversor Buck;

- 1 resistor de 820Ω, 1/4W;

- 9 resistores de 1kΩ, 1/4W;

- 3 resistores de 2k2Ω, 1/4W;

- 1 resistor de 3k3Ω, 1/4W;

- 4 resistores de 10kΩ, 1/4W;

- 1 potenciômetro de 1kΩ;

- 1 capacitor de poliéster de 2,7nF;

- 1 capacitor e de 10nF;

- 1 capacitor de 270pF;

- 1 diodo de sinal 1n4148;

- 4 transistores BC 549;

- 1 transistor BC557;

- 3 amplificadores operacionais CA3140;

- 1 regulador TL431;

- 1 diodo zener 5V1;

- 1 CI 4027 flip flop JK;

- 1 CI 4081 com quatro portas AND de duas entradas;

- 1 fonte de alimentação de tensão DC;

- 1 varistor.

- 1 protoboard;

- 2 multímetros;

- 1 osciloscópio;

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3.2. Procedimentos

O experimento baseou-se na utilização do conversor Buck descrito na

figura abaixo, tendo como um aspecto relevante a inserção do sinal de controle

provindo de um circuito gerador de PWM de forma discreta.

Figura 4– Esquema de montagem e as ligações para a alimentação do protótipo Buck.

Sendo assim, iniciou-se a montagem do circuito gerador de PWM,

conforme ressaltado na figura 5. Com o intuito de sanar possíveis falhas

provindas de erros de montagem ou de componentes defeituosos, decidiu-se

implementar o circuito por etapas, isto é, dividindo o circuito por blocos. Para

cada etapa proposta verificou-se o correspondente funcionamento do mesmo

e, em seguida, avançava-se para uma nova etapa.

Figura 5 – Circuito para controle da razão cíclica do protótipo Buck.

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A primeira etapa de montagem consistiu do circuito que concede um

nível de tensão de referencia Vref. Após a avaliação do nível de tensão obtido

para Vref, partiu-se para um segundo bloco de montagem. Trata-se do circuito

que agrega a fonte de corrente com o comparador, rede de atraso até o diodo

1N4148 com a realimentação positiva do sinal.

Com isto, averiguou-se a forma de onda de onda obtida para a fonte de

corrente de modo então a prosseguir na montagem final do restante do circuito

gerador de PWM.

Feito a montagem completa do circuito, retirou-se a fonte de alimentação

de tensão do circuito e alimentou-o a partir dos terminais do protótipo Buck,

com o protótipo sendo alimentado a partir da fonte de alimentação DC ajustada

em 20V. Em seguida, inseriram-se no pino de controle do protótipo os sinais

provenientes do circuito gerador de PWM.

A aplicação destes sinais fora feita em dois casos. O primeiro caso

consistiu na consideração do sinal de controle sendo proveniente somente do

terminal D1 do circuito gerador de PWM. Enquanto que para o segundo caso

conectou-se o terminal D1 ao terminal D2 e a junção de tais fora aplicada no

terminal de controle do protótipo Buck.

Para os casos salientados avaliou-se o sinal de controle obtido, no que

concerne a freqüência, razão cíclica e tensão de offset, como também a tensão

de saída do protótipo Buck.

Finalmente, implementou-se um circuito de partida suave, também

denominado de soft starter, com o intuito de que a razão cíclica progredisse

lentamente, evitando assim a destruição da chave do protótipo, overshoot de

saída entre outros aspectos.

Vale ressaltar que para este trabalho não se utilizou um tensão de erro

proveniente de uma possível realimentação do nível de tensão da saída do

conversor para o circuito de controle.

A partir de tal aparato experimental pôde-se então explanar e discutir

questionamentos preponderantes da experiência em laboratório.

Feita a exposição sobre os procedimentos práticos, são apresentados a

seguir os resultados relativos à análise do circuito gerador de PWM de forma

discreta.

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4. RESULTADOS

4.1. Implementação do gerador PWM

Após a montagem do primeiro bloco do circuito proposto, obteve-se

como resultado proveniente da leitura do multímetro, uma tensão de referência

Vref de 5,44V. Um valor satisfatório para o funcionamento do circuito.

Com isto ao finalizar-se o segundo bloco de montagem, já descrita

anteriormente, obteve-se a forma de onda do tipo dente de serra conforme

salientado na figura seguinte. Notou-se a presença de um nível de offset, o

qual na figura abaixo esteve em aproximadamente 0,8 V, porém em outros

momentos esteve em níveis de tensão maiores do que isto.

Figura 6 - Forma de onda dente de serra.

Por conseguinte, finalizado a implementação de todo o circuito avaliou-

se as formas de onda dos terminais D1 e D2 do circuito gerador de PWM, os

resultados gráficos obtidos encontram-se salientados na figura a seguir.

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Figura 7 - D1 e D2.

Da figura anterior vale salientar o fato de que D1 e D2 encontram-se

defasados mesmo para a razão cíclica ajustada no máximo.

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4.2. Questões

4.2.1. Circuito Soft-Start:

Para se implementar um circuito de partida suave (soft-start) o circuito

abaixo é uma possibilidade com resultado satisfatório, conforme obteve-se em

montagem prática.

R1

100k

C1

47u

Verro

D1N4148

V1

12Vdc

0

0

Q2

BC557A

0

Figura 8 – Circuito de implementação do Soft-Start.

A função deste circuito é a de manter uma variação suave na razão

cíclica, até que ela atinja um determinado valor. Esta variação se dá no

intervalo de tempo em que o capacitor C1 está carregando, com a constante de

tempo de carga dada pelo circuito RC da figura acima. Os componentes RC do

circuito são calculados de modo a produzir uma constante de tempo que

possibilite uma variação lenta e, portanto, suave na tensão de saída Verro.

4.2.2. Razões cíclicas e tensão de saída.

Do circuito implementado para a geração de PWM avaliou-se a máxima

razão cíclica e a tensão de saída do conversor Buck nos dois casos propostos

de sinais de controle.

No primeiro caso em que o sinal de controle consistia apenas do sinal

proveniente de D1 a razão cíclica máxima obtida por meio da variação do

potenciômetro foi de 0,36 e uma tensão de saída do conversor Buck igual a

6,86V, para um freqüência do sinal de controle igual a 86,2kHz.

No entanto este resultado obtido deve ser avaliado com certa cautela,

pois o nível de tensão de offset da forma de onda dente de serra foi de 1,6V

nesta circunstância de medição.

Por conseguinte para o segundo caso, em que consistiu na interligação

dos terminais D1 e D2 para o sinal de controle do conversor Buck obteve-se a

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razão cíclica máxima de 0,64 e uma tensão de saída do conversor Buck igual a

13,15V, e freqüência do sinal de controle igual a 178,57kHz.

Novamente, este resultado obtido deve ser averiguado com certa

precaução, pois o nível de tensão de offset da forma de onda dente de serra foi

de 1,6V nesta circunstância de medição.

4.2.3. Freqüência do circuito PWM.

Do circuito implementado para a geração de PWM tem-se o mesmo

possibilita variar a freqüência dos sinais D1 e D2, por meio da modificação dos

valores do circuito RC da fonte de corrente, os quais controlam o período da

forma de onda dente de serra acarretando a alteração da freqüência dos sinais

de saída.

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5. CONCLUSÃO

Fica notório que esta prática de laboratório proporcionou o aprendizado

de uma gama de conceitos essenciais e importantes para o entendimento da

implementação do circuito de PWM para o controle de funcionamento de

conversor CC-CC denominado Buck.

Alguns pontos notáveis desta experiência de laboratório devem ser

enfatizados. Primeiramente vale ressaltar a utilização do princípio de

montagem por etapas. O circuito proposto para a geração de PWM é de certa

forma grande, o que limita o seu funcionamento em placa de protótipo, caso

venha ser montado em sua integra de uma só vez. Com a aplicação do

princípio da divisão do circuito em blocos com avaliação de funcionamento de

cada um destes obteve-se o pleno funcionamento do circuito proposto.

Com tal topologia de circuito é possível variar a razão cíclica dos pulsos

de saída em função do nível de tensão de erro. A qual neste trabalho esteve

limitada somente a um ajuste por potenciômetro, porém em situações práticas

utilizar-se-ia uma tensão de erro proveniente de um circuito contendo uma

realimentação da saída do conversor comparada com o nível de tensão

desejado para o mesmo.

Do circuito implementado para a geração de PWM validou-se o seu

funcionamento aplicando-o diretamente a um conversor Buck.

Para tanto aplicou-se o sinal de controle em dois casos. O primeiro caso

tomou-se o sinal de controle sendo somente o terminal D1 do circuito de PWM

enquanto que para o segundo caso o sinal de controle fora a junção dos sinais

dos terminais de D1 e D2 do circuito PWM.

Dos casos avaliados obteve-se um nível de tensão de saída do Buck

menor para o primeiro caso uma vez que a razão cíclica deste é menor que a

do segundo caso, onde claramente obteve-se o maior nível de tensão de saída

do Buck.

Um fato ocorrido e notado fora a variação do nível de tensão de offset da

forma de onda dente de serra ao decorrer do experimento. Com isto acredita-

se que os resultados obtidos na avaliação do conversor Buck possam estar

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com certo desvio em relação aos resultados obtido em trabalhos de outros

autores.

A priori, há indícios de que tal acontecimento ocorreu em virtude de

problemas de flutuação do barramento de referência do circuito implementado,

notando-se também uma má conexão dos terminais de alimentação do

conversor Buck, os quais devem ser reparados por uma melhor fixação.

Finalmente, averiguou-se o funcionamento da proposta de um circuito de

partida suave, também denominado de soft starter, com o intuito de que a

razão cíclica progredisse lentamente, evitando assim a destruição da chave do

protótipo, overshoot de saída entre outros aspectos.

Ora, sendo assim percebe-se que a experiência em laboratório

novamente propiciou uma vasta experiência prática na avaliação e

determinação de diversas características peculiares do circuito gerador de

PWM aplicado ao conversor Buck

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6. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

AHMED, A. Eletrônica de Potência. Prentice Hall, p. 168 – 173. São Paulo –

2000.

CORTIZO, Porfírio Cabaleiro. Comando de transistor. Aula Prática 02 da

disciplina Eletrônica de Potência. Escola de Engenharia - Curso de Engenharia

Elétrica. Universidade Federal de Minas Gerais. Belo Horizonte, 2002.

FERREIRA, A. L. B.; Experiência 05: Implementação do esquema elétrico para

gerar o PWM de forma discreta. Roteiro de Laboratório da disciplina Eletrônica

de Potência. Universidade Estadual de Londrina. Departamento de Engenharia

Elétrica. Londrina, 2011.

Datasheet do CA3140. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/intersil/fn957.pdf

Datasheet do CI 4081. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/105/109272_DS.pdf

Datasheet do CI 4027. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/134/206735_DS.pdf

Datasheet do transistor BC557. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC557.pdf

Datasheet do transistor BC549. Disponível no dia 29/05/11 no seguinte link:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC549.pdf

Datasheet do regulador de tensão de referencia TL431. Disponível no dia

29/05/11 no seguinte link:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/90/321931_DS.pdf

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7. ANEXOS

Seguem abaixo algumas especificações técnicas de componentes que

podem auxiliar em uma melhor compreensão das idéias expostas neste

trabalho.

A. Amplificador Operacional CA3140

Figura 9 – Folha de dados do CI CA3140.

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B. Transistor BC549

Figura 10 – Folha de dados do transistor BC549.

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C. Transistor BC557

Figura 11 – Folha de dados do transistor BC557.

22

D. Regulador TL431

Figura 12 – Folha de dados do regulador TL431.

23

E. CD4027

Figura 13 – Folha de dados do CI 4027.

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F. CD4081

Figura 14 – Folha de dados do CI 4081.