conversores dc-dc (choppers)

CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
Qualquer sistema de potência a semicondutor
empregado para retificar, inverter, ou mesmo para
modular a potência de saída de uma fonte de energia
DC ou AC é chamado de sistema conversor ou sistema
de condicionamento de potência.
CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
Nessa seção estamos interessados num tipo de
conversor chamado “chopper” (que pode ser traduzido
por cortador, pulsador, interruptor, etc.) que, devido ao
princípio de operação, permite variar a tensão média
DC aplicada a uma dada carga sem que ocorra uma
grande dissipação de potência nos elementos
chaveadores (tiristores ou transistores).
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O “chopper” é colocado entre a carga e a fonte DC
como mostra a figura 1 (A). Consideraremos como
carga um circuito constituído de uma resistência, uma
indutância e uma fonte de tensão contínua VC .
CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
A forma como a tensão média é reduzida abaixo da
tensão da fonte está ilustrada na Fig. 1b. A figura mostra
que o “chopper” aplica um trem de pulsos de tensão na
carga 2 cuja magnitude é a mesma da fonte. A tensão
na carga Vo pode ser variada de três diferentes
maneiras.
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1. TON pode variar enquanto o período T é mantido
constante - Pulse Width Modulation (PWM).
2. TON pode ser mantido constante enquanto o período T
pode ser variado - Frequency Modulation (FM).
3. Combinação entre PWM e FM.
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O princípio fundamental de um choper básico é ilustrado
à seguir. Uma chave é ligada em série com a fonte da
tensão DC (vi) e a carga. A chave S pode ser um
transistor de potência, um SCR ou um outro tiristor.
Supõe-se que os dispositivos de chaveamento sejam
ideais. As chaves ideais possuem as seguintes
carcterísticas:
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
Resistência zero quando ligadas.

Resistência infinita quando desligadas.

Podem chavear instantaneamente a partir de cada
um dos dois estados.
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Em condições ideais, a perda de potência no chopper é
zero. Portanto, a potência de saída é igual a perda de
potência de entrada.
Vo Io = Vi Ii
Onde
Vo  tensão média de saída
Vi  tensão de entrada
Io  corrente média de saída
Ii  corrente média na entrada
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Suponhamos que a tensão de saída seja ajustável em
uma certa faixa, de zero ao nível de entrada. Vamos
operar a chave de tal modo que ela esteja ligada
(fechada) por um tempo Ton e desligada (aberta) por
um tempo Toff em cada ciclo de um período T prefixado.
A forma de onda resultante da tensão de saída é um
trem de pulsos retangulares de duração Ton.
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A figura anterior mostra que a tensão instantânea na
carga é zero (S desligado) ou Vi (S ligada). A tensão
média (DC) na saída em um ciclo é dada por:
Onde T é o período (Ton + Toff). A frequência de
chaveamento do chopper é:
f = 1/T
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Se utilizarmos a idéia do ciclo de trabalho (d), que é a
relação entre a largura do pulso Ton e o período da
forma de onda,
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A equação anterior mostra que a tensão de saída varia,
de modo linear, com o ciclo de trabalho. A figura a
seguir mostra a tensão de saída à medida que d varia
de zero a um. É, portanto, possível controlar a tensão
de saída na faixa de zero a Vi.
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Se a chave for um transistor, a corrente de base
controlará os períodos ligado e desligado da chave do
transistor. Se a chave for um tiristor, um pulso positivo
na porta o passará para o estado ligado, enquanto um
pulso negativo o levará ao estado desligado. Se a chave
for um SCR, um circuito de comutação será necessário
para passá-lo ao estado ligado.
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A forma de onda da corrente na carga é similar a figura
que mostra Ton e Toff, e seu valor médio é dado por:
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O valor eficaz (RMS) da tensão de saída é:
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A tensão média de saída pode ser variada por uma das
seguintes maneiras:
1 – Modulação PWM – pulse-width modulation –
Modulação por largura de pulso.
2 – Modulação PFM – pulse frenquency modulation –
Modulação por frequência de pulso.
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Modulação PWM
Nesse método, a largura do pulso Ton varia enquanto o
período de chaveamento total T é constante. A figura a
seguir mostra como as formas de onda de saída variam
à medida que o ciclo de trabalho aumenta.
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CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
Modulação PFM
Nesse método, Ton é mantido constante enquanto o
período (frequência) varia. Como será mostrada na
figura a seguir, a tensão de saída reduz-se à medida
que a frequência diminui e é alta nas frequência mais
altas.
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Tanto para o controle por PWM, a tensão de saída é
nula quando a chave S estiver aberta e é igual à tensão
de entrada quando a chave estiver fechada por um
período superior ao ciclo de chaveamento normal.
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No método PFM é necessário reduzir a frequência de
chaveamento do chopper para obter uma tensão de
saída mais baixa. Isso pode resultar em uma
descontinuidade nas baixas frenquências.
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Mais ainda, a redução na frequência aumenta a
ondulação da corrente de saída e, em consequência
disso, as perdas e o calor na carga aumentam. Por
outro lado, as perdas nas componentes se tornam muito
altas nas frequências mais altas.
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O método PWM tem a vantagem da baixa ondulação, o
que significa componentes menores para o filtro.