1 Conversor Boost Eletrnica de Potncia Felipe de Sousa Barros Dias Paulo Cesar da Paz Oliveira Flvio Viana Barbosa Junior Maro de 20122 Sumrio1.Introduo ...........................................................................................................3 2.Conversor Boost..................................................................................................3 3.Dimensionamento dos componentes...................................................................4 4.Valores Encontrados............................................................................................4 5.Componentes Utilizados......................................................................................5 6.Circuito Proposto.................................................................................................5 7.A Placa de circuito impresso.............................................................................. .6 8.Formas de onda................................................................................................. 6 8.1 Formas de onda com entrada nominal................................................................7 8.2 Formas de onda com entrada mxima.............................................................. 11 8.3 Formas de onda com entrada mnima...............................................................11 9.Variao da tenso de entrada de acordo com a razo cclica..........................12 10. Concluso.........................................................................................................12 11. Bibliografia........................................................................................................12 12. Anexo I............................................................................................................. 13 13. Anexo II.............................................................................................................21 14. Anexo III...........................................................................................................30 15. Anexo IV............................................................................................................32 3 1.Introduo As fontes chaveadas so idealmente no dissipativas tendo uma elevada eficincia (70% ou mais), neste tipo de circuito, um elemento funciona como chave, o ideal que ele opere ora em corte (quando ento a corrente quase nula), ora em saturao (quando a tensoentreosterminaisquasenula)assimligandoedesligandorapidamente,de formaamanterumatensodesadaestabilizada,oprodutoV.Iquecorresponde potncia dissipada pelo transistor em conduo permanece sempre baixo aumentando a eficinciadafonte.Evidentemente,naprticaapotncianoelementosrieno totalmentenula,masatravsdetcnicasdecircuitoeadequadaescolhade componentes,estapotnciapodeserreduzidaavaloresrelativamentebaixosem comparaocomadissipadanasfonteslineares,assimtendoumamaioreficincia, menortamanhoemaiorleveza,entretanto,somaiscomplexosemaiscaros,eo chaveamento da corrente pode causar problemas de rudo se no forem cuidadosamente suprimidos,tambmimportantedestacar,entretanto,queaondulaodesadaem fonteschaveadasmuitomaioremrelaosfonteslineares(quaseumaordemde grandeza). Elas podem ser classificadas de acordo com a forma de onda da tenso de entrada e de sada: Entrada CA, sada CC: retificador EntradaCC,sadaCC:conversordetenso,ouconversordecorrenteou conversor CC/CC Entrada CA, sada CA: conversor de frequncia, ciclo conversor Entrada CC, sada CA: inversor 2.Conversor Boost OconversorBoost(fig.1)ouconversorelevadordetensoatuadeformaque quandootransistor(CH)ligadoatensoaplicadanoindutor(L)eodiodo(D)fica reversamentepolarizado,acumulandoassimaenergiaemL,estaqueserenviadaao capacitor (C) e carga (R) quando o transistor (CH) estiver em corte (desligado). Fig.1 Circuito de potncia Conversor Boost. 4 O controle escolhido para o transistor foi a modulao por largura de pulso (PWM), a vantagem dos circuitos controladores por largura de pulso como controladores contra os circuitosresistivos,quantoasuaeficincia,jqueoPWMtrabalhacomeficinciade menos de 1% de perda, para um circuito resistivo trabalhando a 50% da carga, 50% vai realmenteparaalimentaodacargae21%perdidoemaquecimentonosresistores. Isso uma grande vantagem para fontes de energia renovvel, outra grande vantagem que os pulsos no PWM esto com o valor nominal de pico, gerando um maior torque nos motoresporexemplo,jumcontroladorresistivo,quedeverterumatensoreduzida, poder causar parada de um motor devido ao torque reduzido, porm o controlador PWM tem como desvantagem a complexidade e a possibilidade de gerar interferncia de rdio frequncia (RFI), mas pode ser minimizada colocando o controlador perto da carga e em alguns casos, usando filtros adicionais. Omodelopropostotevecomoparmetroumatensodeentradade12V,euma freqncia de 40KHz e de acordo com a variao da razo cclica proporcionalmente iria alterando a tenso de sada aceitando uma variao de 10% de tenso e 5% de corrente. 3.Dimensionamento dos componentes DepoisdeconhecerosparmetrosdoconversorBoost,foramcalculadosseus componentes, iniciando pela Indutncia necessria para o circuito, foi utilizada a equao (3.1), observando a variao da indutncia em funo da variao de tenso. 12 ( 0, 9)iS LV DLf I =(Equao 3.1) O capacitor atua como um filtro no circuito, no calculo deste foi utilizado a equao (3.2), e assim como o indutor observando sua variao e utilizando a maior capacitncia oo sI DCV f= (Equao 3.2) Arazocclicaparaocircuitofoilevadoemconsideraoaquedadetensono diodo,subtraindosuaquedadetensodatenoinicial,paracalcul-lafoiutilizadaa equao (3.53) (Equao 3.3) Todo o clculo pode ser encontrado nos Anexos I e II. 4.Valores encontrados Estavamdisponveisnolaboratrioapenasdoistiposdediodoo1N5408eo EGP30J, foi escolhido o segundo j que alm de ser um diodo ultra rpido ainda atende as especificaes de frequncia e tenso, porm por ele ser limitado por uma corrente de 3A,houveanecessidadedemodificaracorrentenacargapara2A(porsegurana),a carga usada foi de 42 , assim visto que as tenses seriam superiores a 45V usamos um capacitor eletrolitico de 1000uF e 50V. 5 Corrente na carga2A Resistncia12Indutncia156.3uH Capacitncia16uF Tabela 1 valores encontrados em funo das equaes citadas acima. Foi utilizado o Mosfet para atuar como chave do circuito, j que ele atua em altas freqncias e baixas tenses, parmetros esses exigidos pelo projeto. 5. Componentes Utilizados Valor encontradoValor UtilizadoModelo Usado Capacitor Eletroltico16uFI000mFx Capacitor Polipropileno0.1uF0,68uFx Indutor156.3uH156.3uHConstrudo em laboratrio Resistor1242X MosfetX55V, 75A, 4.7m (resistncia interna) IRF2805 DiodoX3A, 560V, 1MHzEGP30J Tabela 2 - aproximao do valor encontrado para o valor comercial. 6.Circuito proposto Com os valores encontrados foi simulado com o auxilio do Software PSIM (fig. 2), utilizandoosvalorescalculados,poremparasubstituirogeradordefunofoiutilizado umafontedetensodeondaquadrada,alternandoequivalentearazocclica encontrada, assim ligando e desligando o drive no qual aciona o Mosfet. Fig. 2 Circuito simulado no software Psim. 6 7. A placa de circuito impresso Aplacadecircuitofoiconfeccionadaemumaplacadefenolitecomoauxiliodo SoftwarePCAD2006,almdoscomponentesjcitadosanteriormente,foiincludoum capacitor eletroltico para filtro do circuito, e um capacitor de polipropileno para compensar aquedadetensocausadapeloprimeirocapacitor,o mesmose repetiu nasada. Alem destefoiadicionadoumresistorde10KligadoaoGateenoSourcedoMosfet,para garantir que o seu capacitor interno descarregue quando desligado o circuito e um resistor na entrada do Gate para proteo do Mosfet. Fig. 3 Placa de circuito impresso confeccionada. 8. Formas de onda FoiutilizadoosoftwarePsim,paraanalisarocomportamentoatravsdasformas deondadatensonacarga,simulandoassimtrssituaes,amxima,amnimaea nominal,logoapsfoimontadoocircuitoecomparadoasformasdeondasobtidasno softwareenoOsciloscpioTektronixMSO2012,dolaboratriodeeletrnicadoIFCE Campus Sobral, segue as comparaes a seguir: 7 8.1 Forma de onda com entrada nominal (12V) 8.1.1. Tenso de entrada Fig. 4 Tenso de entrada nominal de acordo com o simulador Fig. 5 Tenso de entrada nominal de acordo com o Osciloscpio. Pode-se observar que no simulador a tenso continua em 12V j que ideal, j noosciloscpioporrudoscausadospordiversosmotivos,temosalgumaspequenas ondulaes na tenso de entrada porem miniminizadas pelos capacitores de filtro. 8.1.2. Tenso no Mosfet Fig. 6 Tenso no mosfet de acordo com o simulador. 8 Fig. 7 Tenso no Mosfet de acordo com o simulador. Foiobservadoquenosimuladoratensosobea27V,umpoucomaiorquea tensodesada,jquefoilevadoemconsideraoaquedadetensonodiodoeo indutor se localiza antes do Mosfet portando o circuito ainda ira perder esta tenso. 8.1.4. Ondas do gerador de funo Fig. 8 Formas de onda do gerador de funo de acordo com o simulador. Fig. 9 Formas de onda no Gerador de Funo no Osciloscpio. No simulador por ser ideal foi colocado uma tenso de 1V apenas para desligar e ligar o drive que aciona o Mosfet, porm o Mosfet IRF2805 entra na regio de saturao com 4V, portanto foi aplicado uma tenso de 10V a -1V, este pico negativo para garantir que o diodo desligue. 9 8.1.4. Tenso no Diodo Fig. 10 Tenso no diodo de acordo com o simulador. Fig. 11 Tenso no diodo de acordo com o osciloscpio. Notamosqueatensododiodonegativajquecaractersticadoconversor boost quando o mosfet estiver ligado o diodo ficara polarizado reversamente, observa-se nafiguraumapequenatensopositiva,estacausadapelapolarizaonegativaque fornecemos ao mosfet atravs do gerador de funo para garantir que este descarregue. 8.1.5. Corrente no Indutor Fig. 12 Corrente no indutor de acordo com o simulador 10 Fig. 13 Corrente no indutor a partir do osciloscpio Paravisualizarmosaformadeondanoosciloscpiofoinecessriocolocarum resistor de shunt de 0.33 em srie com o indutor e medir sua tenso, observou tambm queeleestaatuandonomododeconduocontinua,jquedesconsideramosos possveis harmnicos causados por fatores externos. 8.1.5. Tenso de sada Fig. 14 Tenso de sada na carga de acordo com o simulador Fig. 15 Tenso de sada na carga a partir do osciloscpio Aformadeondadasadafornecidapeloosciloscpioobteve-sebemprximada simulada,apsissofoimedidoduassituaesdistintas,umacomtensodesadacom uma elevao mnima de tenso e outro caso com uma sada bem superior a entrada 11 8.2 Formas de onda com sada mnima (14V) 8.2.1. Tenso de sada na carga Fig. 18 Tenso de sada na carga de acordo com o simulador. Fig. 19 Tenso de sada na carga de acordo com o simulador. A forma deondanasadado osciloscpioestaa 1.9V acimada tensoobtidana simulao,devidoaoganhodocapacitoreletrolticode1000uF(maiorqueoprojetado) assim fornecendo um pequeno ganho da tenso. 8.2 Forma de onda na sada mxima (35V) 8.2.1. Tenso de sada na carga Fig. 16 Tenso de sada na carga de acordo com o simulador. O simulador por ser ideal foi possvel fazer simulaes com o ganho esttico bem elevado,jnoosciloscpiooMosfetescolhidonosuportoutenseserazescclicas maiores que 26V. 12 9. Variao da tenso de entrada de acordo com a razo cclica Fig. 20 Grfico da Tenso em funo da razo cclica. Deacordocomogrficopodemosobservarquemedidaquearazocclicase eleva a tenso tambm aumentara, pois o indutor ficara carregando por um maior perodo de tempo, elevando assim a sua corrente e fornecendo a carga. 10. Concluso FoiObservadoqueoconversorBoostquandosubmetidoarazocclicadeat 0,54, atende a todos os parmetros pr-definidos, dentro dos limites de 10% de variao de corrente e 5% de tenso, porm quando elevando a razo cclica a valores superiores o Conversor no se compota como esperado. 11. Bibliografia http://www.lsi.usp.br/~roseli/www/psi2307_2004-Teoria-3-FCha.pdfacessadoem 03/02/2012 s 23h Wikipedia, http://pt.wikipedia.org/wiki/Fonte_chaveada, acessado em 03/02/2012 s 22h Unicamp,http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/pfp/Cap3.pdfacessado em 15/03/2012 http://www.eecis.udel.edu/~portnoi/academic/academic-files/pwm.html,acessado em 04/02/2012 s 5h