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Prática de Acionamentos Eletrônicos – PAE_04
Prof. Cesar da Costa
AULA 03: Choppers (Introdução)
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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.
1. Introdução
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.
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1.1 Os choppers são amplamente utilizados em:
Controle de tração de motores em automóveis elétricos;
Trolebus;
Guindastes;
Empilhadeiras;
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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.
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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).
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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.
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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.
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2. Circuito Básico
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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.
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Considerando condições ideais, a perda de potência no chopper é zero. Assim, a potência de saída é igual a potência de entrada:
0 0. .i iV I V I
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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.
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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).
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A tensão média (DC) na saída em um ciclo é dada de acordo com as áreas dos respectivos retângulos:
0 ( )on off i onV T T V T
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0 ( )on off i onV T T V T
0 ( )on
ion off
TV V
T T
0on
i
TV V
T
Onde:
(Igualando as áreas)
( )on offT Periodo T T
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A frequência de chaveamento do chopper é:
1fT
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:
0 iV V d
onTdT
Temos:
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Se o chopper está ligado o tempo inteiro:
Logo:
on offT T T
0offT
onT T
onTdT
1d 0 iV V
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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.
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A corrente na carga é dada por:
0 iV d V
Logo:
0id V
IR
00
VI
R
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O valor eficaz (RMS) da tensão de saída:
0 ( )on
ion off
TV V
T T
0on
i
TV V
T
2 20( )( ) ( )onRMS i
TV V
T
20( ) ( )onRMS i
TV V
T
0( )on
RMS i
TV V
T 0( )RMS iV V d
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Os valores médios de tensão de saída, de potência de saída e de potência de entrada são dados por:
0 iV V d
0 0 0P V I
i i iP V I
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Como os elementos são ideais (sem perdas) a potência DC drenada da fonte deve ser igual a potência DC absorvida pela carga:
0 iP P 0 0 i iV I V I
Logo temos:
00
ii
II V
V 0
ii
i
II V
V d
0iIId
Vale lembrar que:0
0
i
i
I Vd
I V
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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).
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PWM – Pulse Width Modulation Neste método de controle, a largura do pulso ligado (ton) varia enquanto o período de chaveamento total (T) é constante.
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A figura abaixo mostra como as formas de onda de saída variam a medida que o ciclo de trabalho aumenta:
onTdT
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Exercícios de Aplicação:
1.Observe a figura abaixo e determine o valor da tensão de entrada e o valor rms da tensão de saída.
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Exercícios de Aplicação:
Solução:
1. A tensão de entrada pode ser determinada por:
3
0 3
5 1091,67 220
12 10i i iV d V V V V
2. A tensão RMS de saída fica:
3
0( ) 0( ) 3
5 10220 142
12 10rms i rmsV V d V V
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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.
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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).
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Técnicas de Controle
O método PWM tem a vantagem da baixa ondulação, o que significa menores componentes para o filtro.
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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
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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.
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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.•
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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.
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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.
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6. Choppers step-down (Buck)
• Quando a frequência de chaveamento for alta, uma indutância relativamente pequena será suficiente para reduzir a ondulação a um grauaceitável.
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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 estaligado.
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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.
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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.
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Modo de Corrente Contínua
Quando a chave for aberta, a corrente na carga cairá de seu valor Maximo Imax a um valor final Imin.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Modo de Corrente Contínua
Um filtro capacitivo costuma ser usado em paralelo com a fonte depotencia de entrada para manter a linearidade da corrente de entrada.
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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.
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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.
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6. Buck : Modo contínuo
(Ciclo de Trabalho)
0 iV d V
onTdT
(Tensão Média de Saída)
0iIId
(Corrente Média de Saída)
0( )rms iV V d (Tensão Eficaz de Saída)
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6. Buck : Modo contínuo
(Corrente Máxima de Saída)
(Corrente Mínima de Saída
(Corrente de Ondulação ou pico a pico)
(Corrente Média no Diodo)
0pp OFF
VI T
L
0OFF
D
TI I
T
0 0max 2 OFF
V VI T
R L
0 0min 2 OFF
V VI T
R L
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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.
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Exercício de Aplicação
Solução:
00 0 0 0
N ONi ON
ON OFF
T TI d I I I T f I
T T T
33 10 25 40 3iI A