projeto e implementação do controle da tensão de saída de um

PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DO CONTROLE DA TENSÃO DE SAÍDA
DE UM CONVERSOR BUCK(1)
Lucas Pedroso Ramos(2), Daniela Maia Bueno(3), Débora Patricia Fensterseifer
Bottura (4), Gabriel Maier Cocco(5), Guilherme Sebastião da Silva(6)
(1)
Trabalho desenvolvido na disciplina de Eletrônica Aplicada e Instrumentação do Curso de Engenharia Elétrica
Estudante; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS, [email protected];
(3)
Estudante; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS, [email protected];
(4)
Estudante; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS, [email protected];
(5)
Estudante bolsista PDA; Universidade Federal do Pampa; Alegrete, RS; [email protected];
(6)
Orientador; Universidade Federal do Pampa;
(2)
Palavras-Chave: Fontes Chaveadas, Controle Analógico, Conversor Buck, Eletrônica de Potência.
INTRODUÇÃO
Diferentemente das fontes de corrente continua para corrente continua (CC-CC) lineares que utilizam
dispositivos passivos e que apresentam baixa eficiência devido à elevada perda de potência, os
conversores de tensão CC-CC, utilizam dispositivos semicondutores operando como chaves quase ideais e
idealmente não dissipativas, aumentando a sua eficiência. (GIMENEZ; ARRABAÇA, 2013).
Devido a sua ampla utilidade na indústria, assim como sua aplicação em fontes chaveadas reduzindo a
ondulação (ripple) e regulando a tensão de saída, o conversor CC-CC abaixador de tensão (Step Down ou
Buck) é principalmente utilizado na obtenção de uma tensão de saída CC ajustável, a partir de uma tensão
CC de entrada. Essa operação é realizada a partir de técnicas de chaveamento de dispositivos
semicondutores de potência, tais como a modulação por largura de pulso (PWM), utilizada neste trabalho,
modulação de frequência (PFM), entre outros (GIMENEZ; ARRABAÇA, 2013).
Com o controle em malha fechada de modo tensão se torna possível, mesmo com uma determinada
variação da tensão de entrada, obter-se um nível de tensão estável e fixo na saída a partir de uma tensão
de referência. E ainda, variar a tensão de saída do conversor a partir da variação da tensão de referência. A
ação de controle envolvida neste processo pode ser obtida de maneira analógica, utilizando dispositivos
amplificadores operacionais, com os adequados valores dos componentes passivos empregados no circuito.
Neste trabalho será apresentado o projeto do circuito de potência do conversor Buck (indutor e
capacitor), bem como a apresentação dos circuitos de instrumentação utilizados para controlar a saída do
mesmo. Na sequência serão apresentados os resultados de simulação e experimentais do conversor.
METODOLOGIA
A partir do equacionamento dos circuitos envolvidos e posterior análise no domínio da frequência, podese fazer o adequado dimensionamento dos componentes empregados a partir dos parâmetros de entrada e
saída. A figura 1 mostra o diagrama elétrico do circuito principal estudado, contendo a parte de potência do
conversor, e os circuitos amplificadores operacionais responsáveis pela instrumentação (medição de tensão,
operações com sinais de entrada, comparação), controle e execução da modulação aplicada no conversor.
Utilizando a topologia de compensador do tipo 3 descrita em Rahimi, Parto e Asadi (2012), busca-se aloFigura 1 – Esquemático do circuito principal estudado, simulado em software com modelos spice.
Fonte: Elaborada pelo autor
Anais do 8º Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa
car os polos e zeros da função de transferência do mesmo dimensionando os resistores e capacitores do
circuito equivalente de forma a contemplar a estabilidade do sistema em malha fechada. Com a determinação de um ripple máximo para tensão e corrente, pode-se obter o capacitor e indutor de saída do conversor.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As equações fundamentais para se projetar o conversor estudado então dispostas na tabela 1. A eq. (1)
relaciona a tensão de saída com a de entrada do conversor, por meio da razão cíclica (D) que é o fator de
tempo em que a chave (Q) permanece fechada. As eqs. (2) e (3) foram obtidas para o indutor e capacitor de
saída a partir dos parâmetros do projeto (Tabela 2). A eq. (4) representa a função de transferência do
compensador, a qual permite a obtenção dos valores que definirão sua resposta em frequência.
Para implementação prática se utilizaram os circuitos integrados dispostos na tabela 3. A figura 2
expressa os resultados obtidos na prática e via simulação, as variáveis fazem referência à figura anterior.
Tabela 1 – Principais equações utilizadas
Vsaída= D ⋅ Ventrada
L=
(1)
GCompensador (s ) ≈ −
(Vb − V ) ⋅ D
Di ⋅ fs
(2)
C=
∆i
8 ⋅ ∆V ⋅ fs
(1 + s ⋅ R2 ⋅ C1 ) ⋅ [1 + s ⋅ C2 ⋅ (R1 + R3 )]
s ⋅ R1 ⋅ C1 ⋅ (R3 ⋅ C2 ⋅ s + 1) ⋅ (1 + s ⋅ R2 ⋅ C3 )
(3)
(4)
Fonte: Elaborado pelo autor; baseado nas referências finais.
Ve Máx.
40 V
Ve Mín.
20 V
Tabela 2 – Parâmetros do projeto e do protótipo experimental
Vs Máx. Vs Mín. Potência
∆i
∆V
Frequência (fs)
18 V
10 V
2,67 W
0.01 A 0.01 V
120 kHz
C
1 µF
L
6 mH
Fonte: Elaborado pelo autor.
Tabela 3 – Circuitos integrados utilizados para implementação do conversor
Circuito Integrado
Descrição
Função
LM324
Quatro amplificadores operacionais Instrumentação e controle
LM311
Comparador
Executar a modulação
LM555
Timer ou oscilador
Gerar o sinal portador
Fonte: Elaborado pelo autor.
Figura 2 – Resultados do comportamento da tensão de saída e de controle para variações na tensão de entrada.
Fonte: Elaborada pelo autor
CONCLUSÕES
Diante do exposto, a topologia Buck fornece uma tensão de saída rebaixada em relação à tensão de entrada. Com a presença do controle analógico de tensão, o nível de potencial elétrico obtido na saída pode
ser ajustado a partir de uma referência de tensão. Além disso, com uma referência fixa, a tensão de saída é
estável em um determinado valor, permitindo perturbações na carga e variações da tensão de entrada em
uma determinada faixa de valores, respeitando as equações e dimensionamentos do projeto.
REFERÊNCIAS
ARRABAÇA, D. A., & GIMENEZ, S. P. Conversores de energia elétrica CC/CC para aplicações em eletrônica de
potência: conceitos, metodologia de análise e simulação. 1. ed. São Paulo, SP, 2013.
RAHIMI, A. M.; PARTO, P.; ASADI, P. Application Note AN-1162: Compensator Design Procedure for Buck
Converter with Voltage-Mode Error-Amplifier. Disponível em: <http://www.infineon.com/>. Acesso em 17 set. 2016.
Anais do 8º Salão Internacional de Ensino, Pesquisa e Extensão – Universidade Federal do Pampa