Seminário de Eletrônica Industrial II Prof. Márcio Abud Junho/2009

Seminário de Eletrônica Industrial IIProf. Márcio Abud

Junho/2009

Rodrigo C. SÁtiro 06526-3Vitor 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 onível médio de tensão na carga.

T

TEE onio

T

Ton

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 CHAVEADOSOs 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

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.

REGULADOR BOOST

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.

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:

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.


• 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

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:

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:

Onde, Vc1 é a tensão média no capacitor C1.

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 correnteda carga que flui pelo tiristor principal torna-se nula, ou é transferida para outrotiristor auxiliar, que neste caso comuta com o tiristor principal;· Comutação forçada (forced commutation) : a corrente pelo tiristor principal éforçada a anular-se, levando-o ao bloqueio;· Comutação por tensão (voltage commutation) : um capacitor pré-carregadopolariza reversamente (durante um reduzidíssimo intervalo de tempo) o tiristorprincipal bloqueando-o;· Comutação por corrente (current commutation) : um pulso de corrente éaplicado 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 atensão 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 atensão V à carga.


Há um novo circuito oscilante composto por CLS1D2. Quando a corrente ic2 forigual a is1, o tiristor S1 bloqueia. Admite-se que o indutor Ld seja capaz de manterconstante 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.


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.

A partir daí, S1, S2 e D1 estão bloqueados e a carga é alimentada por CLD2.

FIM

MUITO OBRIGADO A TODOS!

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