projeto de um regulador de tensão para veículo

PROJETO DE UM REGULADOR DE TENSÃO PARA
VEÍCULO DE FÓRMULA SAE
Adriano Cruz dos Santos Soares
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Eletrônica e de Computação da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessários à
obtenção do título de Engenheiro.
Orientadores: Mauros Campello Queiroz
Carlos Fernando Teodósio Soares
Rio de Janeiro
Setembro de 2016
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Escola Politécnica – Departamento de Eletrônica e de Computação
Centro de Tecnologia, bloco H, sala H-217, Cidade Universitária
Rio de Janeiro – RJ
CEP 21949-900
Este exemplar é de propriedade da Universidade Federal do Rio de Janeiro, que
poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar
qualquer forma de arquivamento.
É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre
bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou
venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem
finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa.
Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do(s) autor(es).
iii
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho ao povo brasileiro que contribuiu de forma significativa à
minha formação e estada nesta Universidade. Este projeto é uma pequena forma de
retribuir o investimento e confiança em mim depositados.
iv
AGRADECIMENTO
Agradeço, inicialmente, aos meus pais Helena e Sílvio. Sem eles, não haveria toda
a estrutura que possibilitou não só eu estudar e completar esta faculdade, mas tudo que
me trouxe até este momento. Graças a eles eu pude ter incríveis exemplos de vida e todo
o apoio sem o qual eu não teria a menor condição de iniciar, permanecer ou terminar o
curso, nem de estudar como estudei, principalmente no fim. Agradeço também aos outros
membros da minha família, por estarem sempre lá para mim e por mim.
Agradeço também aos meus amigos e colegas, por serem pessoas sempre muito
sinceras, que muitas vezes me entendiam melhor do que eu mesmo. Sejam nos momentos
de descontração, de estudos intensos, de dúvidas ou de desespero com os prazos, eles
foram cruciais para manter minha sanidade e aguentar seguir em frente. Cito em especial
os amigos Ewerton, Caio, Victor, Bandeira, Corrêa, Ian, Calmon, Frucht, Prallon e
Alexandre. Eu não poderia desejar melhores companheiros de faculdade.
Aos amigos Thiago, Matheus, Bryan, Carla, Thales, Jorge, Ângelo e Nataly, por
serem pessoas inspiradoras, companheiras e imprescindíveis. Por me possibilitarem ter
uma visão da vida completamente diferente, muito mais interessante e cheia de
possibilidades. Por me motivarem a terminar o curso de engenharia, assim como tomar
algumas das mais difíceis decisões que consigo me lembrar. Se eu sou hoje uma pessoa
melhor, agradeço imensamente a eles por suas contribuições.
À equipe Ícarus UFRJ de formula SAE, seus membros atuais e passados, e seu
professor orientador Fernando Castro Pinto, Dr.-Ing.. Fazer parte da equipe foi crucial
para minha decisão de fazer o que era necessário para me tornar um engenheiro, assim
como para dar mais sentido aos meus estudos.
Ao Laboratório de Informática para a Educação, seus membros e responsáveis,
pelo apoio ao longo da faculdade, mas em especial pelos assuntos com estágio.
Ao ex-membro da equipe Vinicius Guedes, que serviu como exemplo acadêmico
e profissional, e me inspirou a sempre ter a excelência como pré-requisito do que quer
que eu faça. Agradeço a ele também pela sugestão do tópico do projeto final.
Aos meus orientadores Mauros e Teodósio, por sua didática incrível, boa vontade
sem igual, e por pôr à minha disposição seus vastos conhecimentos.
Por fim, agradeço a todos os professores que tive na vida, tanto aqueles que
recebiam por isso, quanto os informais.
v
RESUMO
Em automóveis modernos a presença da eletrônica já chegou ao nível do
imprescindível. Fazem parte do conjunto elétrico do veículo circuitos cada vez mais
precisos e mais sensíveis. Para funcionarem propriamente, esses circuitos precisam de
uma fonte de tensão confiável, segura e estável.
Como um veículo é um sistema isolado da rede elétrica, ele precisa gerar a própria
eletricidade para alimentar os circuitos. Para isto, existe o alternador, geralmente
integrado ao bloco do motor. Mas esta peça fornece três fases de tensões alternadas,
enquanto que o resto dos circuitos precisa ser alimentado por tensão DC da ordem de
12 V. O principal componente que faz este tipo de conversão é a ponte retificadora, que
já é utilizada. Mas este circuito não oferece proteção contra sobrecarga.
O objetivo desde trabalho é, então, projetar e construir o componente regulador
de tensão, que garante a permanência da alimentação no nível de tensão desejado, além
de proteção contra efeitos adversos.
Palavras-Chave: fórmula SAE, retificador, regulador de tensão, sistemas
automotivos, eletrônica embarcada, simulação PSpice.
vi
ABSTRACT
In modern automobiles, the presence of electronic devices has come to the level
of need. More precise and more sensitive circuitry are taking broad participation in the
electric harness of the vehicle and, for it to work properly, they need a reliable, secure
and stable voltage source.
Since a vehicle is an isolated system from the power grid, it needs to generate its
own electricity to supply the electronic circuitry. For that purpose, there is the alternator,
usually placed inside the engine’s block. However, it supplies three phases of alternating
voltage, when all the electronic circuits depend on a DC power supply of about 12 V. A
common circuit that does this conversion is the bridge rectifier, which is used in this work.
However, this component does not offer overload protection.
Therefore, this project’s objective is to design and build the circuit block that
regulates the voltage from the alternator to supply the circuits in the vehicle, guaranteeing
a determined voltage level, as well as offering protection from adverse effects.
Key-words: fórmula SAE, rectifier, voltage regulation, automotive regulator,
automotive systems, embedded systems, PSpice simulation.
vii
SIGLAS
A – Amperes, unidade de corrente elétrica
AC – Alternated Current (corrente alternada)
AmpOp – Amplificador Operacional
BOM – Bill of Material
BJT – Bipolar Junction Transistor (transistor bipolar de junção)
C – Capacitância, medida em Faraday
CI – Circuito Integrado
CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor (Semicondutor de Metal-Óxido
Complementar)
CT – Centro de Tecnologia
DC – Direct Current (corrente direta, ou contínua)
ECU – Eletronic Control Unit (Central de Controle Eletrônica)
𝑖𝑏 – Corrente que entra na base do transistor, em Amperes
𝑖𝑐 – Corrente que sai do coletor do transistor, em Amperes
𝑖𝑒 – Corrente que sai do emissor do transistor, em Amperes
Km – Quilômetro
MOS – Metal Oxide Semiconductor (Semicondutor de Metal-Óxido)
NPN – Tipo de BJT
PNP – Tipo de BJT
PSpice – Personal Computer Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
(Programa de simulação para computador pessoal com ênfase em circuitos integrados)
PWM – Pulse Width Modulator (Modulador de largura de pulso)
R – Resistência elétrica, medida em Ω (ohms)
RPM – Rotações Por Minuto
SAE – Society of Automotive Engineers (Sociedade de Engenheiros da Mobilidade)
UFRJ – Universidade Federal do Rio de Janeiro
UV – Ultravioleta
𝑉𝑏𝑒 – Tensão elétrica entre terminais de base e emissor do transistor, em volts
𝑉𝑏𝑐 – Tensão elétrica entre terminais de base e coletor do transistor, em volts
𝑉𝑐𝑒 – Tensão elétrica entre terminais de emissor e coletor do transistor, em volts
𝑉𝐶𝑀 – Tensão de modo comum (Common Mode)
𝑉𝑧 – Tensão elétrica entre terminais de um diodo zener, em volts
viii
Sumário
Capítulo 1 – Introdução ..................................................................................... 1
1.1 – Tema..................................................................................................... 1
1.2 – Delimitação .......................................................................................... 1
1.2.1 – Equipe, Competição e Sistema Elétrico .......................................... 1
1.2.1.1 – A equipe Ícarus UFRJ de Fórmula SAE ................................... 2
1.2.1.2 – Motivação de criar um regulador de tensão .............................. 2
1.3 – Justificativa ........................................................................................... 3
1.4 – Objetivos .............................................................................................. 4
1.5 – Metodologia .......................................................................................... 4
1.6 – Descrição .............................................................................................. 5
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica .................................................................... 6
2.1 – Geradores Elétricos e Alternadores ....................................................... 6
2.2 – Retificadores ......................................................................................... 8
2.3 – Reguladores de Tensão ....................................................................... 11
2.3.1 – Fontes e Reguladores Lineares ..................................................... 11
2.3.2 – Fontes Chaveadas ......................................................................... 13
2.4 – Controle PWM .................................................................................... 14
Capítulo 3 – Projeto ......................................................................................... 15
3.1 – Entorno do Regulador ......................................................................... 16
3.1.1 – Circuitos Conectados à Entrada do Regulador .............................. 17
3.1.2 – Circuitos Conectados à Saída do Regulador .................................. 17
3.2 – Topologia ........................................................................................... 18
3.2.1 – Chave ........................................................................................... 19
3.2.2 – Controlador PWM ........................................................................ 19
3.2.3 – Alimentação do Controlador......................................................... 21
ix
3.2.4 – Driver da Chave ........................................................................... 22
3.2.5 – Amostragem de Tensão ................................................................ 26
3.2.6 – Limitador de Corrente .................................................................. 27
3.3 – Análise do Circuito ............................................................................. 31
Capítulo 4 – Simulação.................................................................................... 34
4.1 – Ambiente de Simulação ...................................................................... 34
4.2 – Modelagem do SG3524....................................................................... 34
4.2.1 – Bloco ”Regulador de Referência” ................................................. 35
4.2.2 – Bloco “Oscilador” ........................................................................ 36
4.2.3 – Amplificadores............................................................................. 38
4.2.4 – Bloco Flip-Flop “T” e estágio de saída ......................................... 39
4.2.5 – Portas Externas............................................................................. 41
4.2.6 – Subcircuit do Modelo ................................................................... 41
4.3 – Montagem do Circuito na Simulação .................................................. 42
4.4 – Configurações da Simulação ............................................................... 43
4.5 – Modelagem da Tensão de Entrada ....................................................... 43
4.6 – Modelagem da Carga .......................................................................... 44
4.7 – Resultados .......................................................................................... 44
4.7.1 – Variando Tensão de Entrada ......................................................... 45
4.7.2 – Variando o Parâmetro Pot ............................................................ 46
4.7.3 – Variando a Carga na Saída ........................................................... 47
Capítulo 5 – Construção .................................................................................. 55
5.1 – Processo de Prototipagem ................................................................... 55
5.2 – Local e Equipamentos ......................................................................... 55
5.3 – Placa de circuito impresso ................................................................... 55
5.3.1 – Metodologia ................................................................................. 56
5.3.2 – Projeto ......................................................................................... 56
x
5.3.3 – Construção ................................................................................... 60
5.4 – BOM................................................................................................... 67
Capítulo 6 – Validação .................................................................................... 68
6.1 – Testes em Laboratório ......................................................................... 68
6.1.1 – Alimentação por Fonte de Bancada .............................................. 68
6.1.2 – Alimentação por Baterias Automotivas ........................................ 73
6.2 – Testes e Sinais Intermediários ............................................................. 74
6.3 – Curva Tensão x Corrente..................................................................... 77
Capítulo 7 – Conclusões .................................................................................. 79
7.1 – Monitoramento e Manutenção ............................................................. 81
7.1.1 – Cenários Adversos ....................................................................... 81
7.1.2 – Avisos .......................................................................................... 82
7.2 – Testes no Carro da Equipe Ícarus ........................................................ 82
Bibliografia ..................................................................................................... 84
Apêndice A - BOM ......................................................................................... 85
xi
Lista de Figuras
Figura 1-1 – Escudo da equipe Ícarus UFRJ de fórmula SAE. ....................................... 2
Figura 2-1 – Tampa do alternador da Honda CB600F, com os enrolamentos e contatos de
saída. ............................................................................................................................ 7
Figura 2-2 – Simulação de um diodo, para ilustração de seu funcionamento. ................. 8
Figura 2-3 – Simulação de um retificador de onda completa. ......................................... 9
Figura 2-4 – Circuito retificador trifásico de onda completa. ......................................... 9
Figura 2-5 – Gráficos mostrando efeito do retificador trifásico. ................................... 10
Figura 2-6 – Esquema básico de funcionamento de um regulador. ............................... 11
Figura 2-7 – Esquema básico de circuito regulado a transistor. .................................... 12
Figura 2-8 – Circuito regulador ilustrando o funcionamento do transistor como uma
chave: a) Chave aberta b) Chave fechada. ................................................................... 13
Figura 2-9 – Gráficos que ilustram a energia dissipada no transistor, em uma fonte
chaveada como a da Figura 2-8. .................................................................................. 14
Figura 2-10 – Exemplo de sinal PWM. ........................................................................ 14
Figura 2-11 – Ilustração de funcionamento de comparador PWM. ............................... 15
Figura 3-1 – Diagrama simplificado do circuito regulador. .......................................... 16
Figura 3-2 – Diagrama básico que representa o circuito do regulador e suas conexões. 17
Figura 3-3 – Diagrama representando o balanço de carga. ........................................... 18
Figura 3-4 – MOSFET atuando como chave no regulador de tensão. ........................... 19
Figura 3-5 – Diagrama simplificado do funcionamento interno do SG3524. ................ 20
Figura 3-6 – Malha de realimentação do controlador PWM, simplificada. ................... 20
Figura 3-7 – Detalhe da conexão dos pinos Rt e Ct no SG3524. .................................. 21
Figura 3-8 – Regulador da alimentação para o controlador PWM ................................ 22
Figura 3-9 – Circuito driver da chave. ......................................................................... 23
Figura 3-10 – Tensão na porta da chave, sem o estágio push-pull. ............................... 24
Figura 3-11 – Tensão na porta da chave, com o estágio push-pull................................ 24
Figura 3-12 – Circuito simplificado do primeiro estágio do driver da chave. ............... 25
Figura 3-13 – Circuito que implementa a amostragem de tensão na saída. ................... 26
Figura 3-14 – Detalhe do divisor resistivo do circuito de amostragem. ........................ 26
Figura 3-15 – Detalhe da resistência vista pelo capacitor no filtro RC de amostragem de
tensão, independentemente do ajuste do potenciômetro. .............................................. 27
xii
Figura 3-16 – Circuito que pode limitar a corrente. ..................................................... 29
Figura 3-17 – Ilustração do ACS712, com suas conexões. ........................................... 30
Figura 3-18 – Esquemático da conexão do medidor de corrente e o pino SHUTDOWN.
................................................................................................................................... 30
Figura 3-19 – Circuito do regulador com todos os componentes. ................................. 33
Figura 4-1 – Diagrama utilizado como base para simular o SG3524. ........................... 35
Figura 4-2 – Tensão no pino OscOut em um SG3524 funcionando normalmente. ....... 37
Figura 4-3 – Em cima, fonte VPULSE ajustada para funcionar como pulso de descarga.
Embaixo, tensão proveniente da fonte na simulação, quando 𝑇 = 0,1 ms. ................. 37
Figura 4-4 – Em cima, fonte VPULSE ajustada para funcionar como dente-de-serra. Em
baixo, tensão proveniente da fonte, quando 𝑇 = 0,1 𝑚𝑠 .............................................. 38
Figura 4-5 – Circuito que modela o bloco amplificador de erro. .................................. 39
Figura 4-6 – Comparador PWM. ................................................................................. 39
Figura 4-7 – Ligação de um flip-flop D para funcionar como um T. ............................ 40
Figura 4-8 – Circuito que modela o flip-flop T, juntamente com as portas NOR e os
amplificadores do estágio de saída. ............................................................................. 40
Figura 4-9 – Sinais de um flip-flop T. .......................................................................... 41
Figura 4-10 – Bloco que representa o SG3524............................................................. 42
Figura 4-11 – Esquema que modela o potenciômetro................................................... 42
Figura 4-12 – Tensão em IN-, variando apenas tensão de entrada. ............................... 45
Figura 4-13 – Tensão na saída, variando apenas tensão de entrada. ............................. 45
Figura 4-14 – Tensão média na saída, variando apenas tensão de entrada. ................... 46
Figura 4-15 – Corrente média na saída, variando apenas tensão de entrada. ................. 46
Figura 4-16 – Tensão média na saída, variando Pot de 0 a 0,4. .................................... 47
Figura 4-17 – Tensão média na saída, variando Pot de 0,5 a 1. .................................... 47
Figura 4-18 – Corrente média na saída, variando RL de 50 Ω a 10 Ω. ......................... 48
Figura 4-19 – Tensão média na saída, variando RL de 50 Ω a 10 Ω............................. 48
Figura 4-20 – Eficiência energética média do regulador, variando RL de 50 Ω a 10 Ω. 49
Figura 4-21 – Corrente média na saída, variando RL de 10 Ω a 1 Ω. ........................... 50
Figura 4-22 – Tensão média na saída, variando RL de 10 Ω a 1 Ω. ............................. 50
Figura 4-23 – Eficiência energética média na saída, variando RL de 10 Ω a 1 Ω. ........ 50
Figura 4-24 – Corrente média na saída, variando RL de 1 Ω a 0,44 Ω. ........................ 51
Figura 4-25 – Tensão média na saída, variando RL de 1 Ω a 0,44 Ω. ........................... 51
Figura 4-26 – Eficiência energética média na saída, variando RL de 1 Ω a 0,44 Ω. ..... 52
xiii
Figura 4-27 – Corrente média na saída, variando RL de 0,5 Ω a 0,1 Ω. ....................... 52
Figura 4-28 – Tensão média na saída, variando RL de 0,5 Ω a 0,1 Ω........................... 53
Figura 4-29 – Eficiência energética média na saída, variando RL de 0,5 Ω a 0,1 Ω. .... 53
Figura 5-1 – Esquemático do circuito feito no Eagle. .................................................. 57
Figura 5-2 – Janela de escolha de componentes, mostrando tamanho reservado na placa
para o componente, incluindo pinos. ........................................................................... 58
Figura 5-3 – Disposição de componentes e trilhas entre eles. ....................................... 58
Figura 5-4 – Projeto da placa de circuito com nó GND. ............................................... 59
Figura 5-5 – Imagem com trilhas para método fotográfico........................................... 60
Figura 5-6 – Disposição dos componentes na placa. .................................................... 60
Figura 5-7 – Folha de transparência com layout das trilhas. ......................................... 61
Figura 5-8 – Foto da placa com uma camada uniforme de tinta fotossensível. ............. 62
Figura 5-9 – Placa com tinta após imersão em solução reveladora. .............................. 63
Figura 5-10 – Placa com tinta após corrosão em percloreto de ferro. ........................... 64
Figura 5-11 – Placa corroída e furada. ......................................................................... 65
Figura 5-12 – Visão superior da placa com componentes. ........................................... 66
Figura 5-13 – Visão inferior da placa com componentes.............................................. 66
Figura 6-1 –Montagem do circuito para testes com fonte de bancada. ......................... 68
Figura 6-2 – Tensão na saída, quando tensão de entrada é menor que a saída desejada. 69
Figura 6-3 – Tensão na saída quando a entrada está em um valor pouco acima do ajustado
na saída. ...................................................................................................................... 70
Figura 6-4 – Tensão na saída quando entrada maior que o ajuste. ................................ 70
Figura 6-5 – Circuito de testes com baterias. ............................................................... 73
Figura 6-6 – Tensão na carga durante os testes com baterias........................................ 73
Figura 6-7 – Tensão no pino 9, COMP. ....................................................................... 75
Figura 6-8 – Tensão no nó entre C3 e R4. ................................................................... 76
Figura 6-9 – Tensão no estágio de saída do SG3524, pino 11. ..................................... 76
Figura 6-10 – Curvas Tensão x Corrente da simulação e do teste com baterias. ........... 77
xiv
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Resumo dos dados das simulações .............................................................. 54
Tabela 2 - Resumo dos dados dos testes com fonte de bancada.................................... 72
Tabela 3 - Resumo dos dados dos testes com baterias. ................................................. 74
xv
Capítulo 1 – Introdução
1.1 – Tema
O tema do trabalho é o estudo e a construção de um circuito regulador de tensão,
voltado a resolver o problema de alimentação dos circuitos nos carros da equipe Ícarus
UFRJ de fórmula SAE (Society of Automotive Engineers ou Sociedade de Engenheiros
da Mobilidade, em português).
1.2 – Delimitação
Este projeto localiza-se no contexto em que existem diversas topologias,
componentes e tipos de circuito para realizar a conversão AC-DC, mas existe também a
necessidade de robustez e confiabilidade.
O desenvolvimento e a construção do módulo regulador é, neste trabalho, voltado
à aplicação no veículo de corrida da equipe Ícarus UFRJ que, apesar do caráter
experimental, precisa funcionar em testes de desempenho e enduro. Por isso, robustez e
confiabilidade serão priorizados.
1.2.1 – Equipe, Competição e Sistema Elétrico
A Fórmula SAE foi criada em 1981 para estimular os alunos de engenharia a
trabalharem no setor automotivo, além de prepará-los para integrar empresas do ramo [1].
A competição trata cada equipe como uma pequena empresa, que hipoteticamente
busca angariar investimentos para a construção em série de um bólido de corrida,
monoposto, seguindo diversas restrições, principalmente de segurança. Para demonstrar
como serão os carros, constrói-se um protótipo, que durante a competição é avaliado em
provas estáticas, dinâmicas e apresentações sobre o projeto do veículo. Por fim, é feita a
prova do enduro, em que o veículo deve completar 22 voltas em uma pista de
aproximadamente 1 km.
No Brasil a competição começou em 2004, mesmo ano da criação da equipe
Ícarus [2].
1
1.2.1.1 – A equipe Ícarus UFRJ de Fórmula SAE
Figura 1-1 – Escudo da equipe Ícarus UFRJ de fórmula SAE.
Fonte: Página da equipe [2].
Fundada em 2004, a Equipe Ícarus participou de todas as edições da competição
nacional. Sempre esteve entre os 10 primeiros colocados, com destaque para os anos de
2004 (2º), 2010 (3º) e 2013 (4º). Na competição de 2015 a equipe conseguiu a 5ª posição,
dentre mais de 30 equipes [1].
Composta em sua maioria por alunos da engenharia mecânica da UFRJ, a equipe
é orientada pelo professor Dr.-Ing Fernando A. N. Castro Pinto. A sede da equipe fica
localizada no Laboratório de Tecnologia Mecânica – LTM, bloco I, fundos do bloco G,
no Centro de Tecnologia – CT, no campus Ilha do Fundão, RJ.
1.2.1.2 – Motivação de criar um regulador de tensão
Para construir o protótipo, a equipe utiliza o motor de uma motocicleta, no
momento o da Honda CB600F Hornet, ano 2009.
Este motor possui embutido um alternador trifásico, com imã permanente fixado
em seu eixo principal (na árvore de manivelas), capaz de entregar 333 W [3]. Este
alternador é constituído apenas pelo imã e pelos enrolamentos, não possuindo regulagem
de tensão, ou qualquer outro tratamento da tensão de saída. Do alternador saem três fios,
cada um transmitindo uma onda senoidal, defasadas de 120º entre si.
Na equipe Ícarus era usado o regulador de tensão com retificador original do
motor CB600 Hornet, mas este foi projetado para prover uma corrente máxima de 30 A.
Por mais que o veículo de fórmula SAE não precise de lâmpadas, por exemplo, são
utilizados outros componentes que consomem mais energia do que a moto, tais como
2
ventoinha, bicos injetores de maior capacidade, solenoide para troca de marchas, módulos
de injeção, de ignição e de telemetria.
Com isso, o regulador original trabalhava muito próximo de seu limite e
invariavelmente era danificado. Para solucionar isto, passou-se a utilizar apenas um
módulo retificador (Gauss GA1312), que era mais robusto. Este retificador é composto
simplesmente pelos seis diodos, que constituem uma ponte retificadora trifásica de onda
completa. Por se tratar apenas de uma ponte retificadora, ele não oferece regulagem da
tensão, ou seja, não há garantia de que a tensão na saída é a desejada, além de não oferecer
proteção contra sobrecarga.
Utilizando um alternador com saída trifásica e uma ponte retificadora já se tem
um circuito bastante eficiente (mais detalhes na Seção 3.1.1). No entanto, este circuito
não oferece proteção contra sobrecarga, além de não garantir que o nível DC da tensão
na saída esteja no valor nominal desejado, já que a tensão entregue por um alternador com
imã permanente depende da velocidade de rotação do motor [4]. Então, o nível DC após
o retificador, por mais que apresente um baixo ripple, não é garantidamente aquele
desejado. Além disso, este componente não oferece qualquer proteção contra, por
exemplo, curto-circuito. Portanto, o regulador de tensão deste trabalho é projetado para
suprir estas demandas.
1.3 – Justificativa
Desde que veículos automotores se tornaram comuns na sociedade, existe uma
necessidade de fazê-los mais rápidos, mais seguros e mais confiáveis. Assim, é
importante tentar estender a vida útil dos componentes, de forma que sejam mais
duradouros.
Com o objetivo de estender a vida útil da bateria e dos componentes elétricos e
eletrônicos, deseja-se prover a eles uma alimentação tão confiável quanto for possível.
Pontes retificadoras são robustas e cumprem seu papel de transformar correntes
alternadas em contínuas, mas sem filtros não eliminam a oscilação na tensão de saída.
Estas oscilações fazem com que a bateria precise receber e prover corrente, de forma que
essas oscilações sejam compensadas. Estas rápidas cargas e descargas da bateria
diminuem sua vida útil, além do que a bateria não consegue filtrar completamente os
ruídos de mais alta frequência.
3
Outro ponto importante é que a tensão de saída do alternador é linearmente
proporcional à rotação do motor [4]. Este aumento na tensão de alimentação pode causar
problemas de sobrecarga nos circuitos, incluindo a bateria.
Neste sentido, deseja-se um circuito que consiga fazer a transição entre a fonte de
tensão vinda do alternador e os circuitos do carro. Esta interface precisa ser um circuito
confiável e robusto, que possa efetivamente contribuir para o aumento da vida útil dos
componentes do carro e da confiabilidade geral do veículo.
1.4 – Objetivos
O objetivo geral é aprender como funciona a conversão de energia para
alimentação elétrica de um carro de fórmula SAE e fornecer uma alternativa aos módulos
retificadores existentes no mercado. Tem-se como objetivos específicos: (1) conhecer os
retificadores comerciais e fazer um trabalho de benchmark; (2) montar e testar o
desempenho do circuito proposto neste trabalho; (3) comparar o desempenho do protótipo
com os modelos disponíveis no mercado; (4) gerar um protótipo de produto comercial.
1.5 – Metodologia
O projeto é subdividido em quatro grandes fases: pesquisa, projeto, construção e
validação.
Durante a pesquisa é criada a imagem de um regulador de tensão automotivo ideal.
São anotadas as melhores características que um regulador de tensão pode ou deve
apresentar. A pesquisa é feita pela internet, no Google, em fóruns de fórmula SAE, no
IEEE Xplore, e com professores que se interessam pelo assunto.
Na fase de projeto, a idealização é trazida para o mundo real. Limitações são
criadas, levando em consideração custo e disponibilidade das peças, tempo de construção
e complexidade.
Na fase de construção é colocado em prática o resultado do projeto. Componentes
serão comprados e montados. Trata-se de um registro do processo de construção do
protótipo.
Na fase de validação o protótipo é testado quanto aos parâmetros de desempenho
citados anteriormente, para validar o projeto e descobrir possíveis falhas que não foram
previstas no projeto. Há a validação em testes de laboratório e em testes de rodagem real
4
utilizando o protótipo de fórmula SAE da equipe Ícarus mais atual que houver. Nesta fase
verifica-se se os objetivos iniciais foram atingidos.
1.6 – Descrição
O Capítulo 1 apresenta uma ambientação, citando a competição fórmula SAE, a
equipe Ícarus UFRJ, a área de eletrônica da equipe, concluindo com a motivação para o
trabalho.
No Capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica, incluindo caracterização do
regulador de tensão, apresentação dos tipos de circuitos que implementam reguladores e
uma pesquisa sobre como são os reguladores comerciais em carros e motos.
Então, o Capítulo 3 trata do projeto, em que as características ideais são trazidas
ao campo do realizável. No Capítulo 4 são apresentadas as simulações do circuito. No
Capítulo 5 é feita a documentação do processo de construção de um protótipo que
implemente o projeto.
Já no Capítulo 6 é feita a validação do protótipo construído, verificando se o
regulador construído cumpre suas tarefas, definidas nos objetivos.
Enfim, no Capítulo 7 são apresentadas as conclusões e as considerações finais,
além de sugestões de melhorias e trabalhos futuros.
5
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
O sistema de conversão da energia mecânica do movimento do motor para
alimentar a bateria e os demais circuitos é composto por basicamente três elementos:
alternador, retificador e regulador. O alternador converte a energia cinética do motor em
tensão elétrica. O retificador converte a tensão AC gerada pelo alternador em DC.
Finalmente, o regulador garante que essa tensão DC seja preservada em um valor
específico.
2.1 – Geradores Elétricos e Alternadores
Um gerador elétrico é, em poucas palavras, um dispositivo que transforma energia
cinética em energia elétrica. Existem diversos tipos de geradores, com tensões de saída
contínua ou alternada, com ou sem escovas, síncronos ou assíncronos. No caso de motores
automotivos, os geradores são utilizados para alimentar os sistemas elétricos do carro.
Ter um gerador é importante para que o veículo seja um sistema isolado, que não dependa
da rede elétrica.
Alternadores são geradores elétricos de tensão alternada. Até os anos 1960 era
comum o uso de geradores DC, ou dínamos. Com a disponibilidade de diodos
retificadores mais baratos, alternadores se tornaram cada vez mais uma opção viável, até
se tornarem padrão de mercado atualmente. Dentre as vantagens, os alternadores são mais
leves e baratos para se construir, além de mais duráveis por terem menos partes em atrito
e dividirem a corrente fornecida por diversos enrolamentos.
Sabe-se, pela Lei de Faraday, que a variação do fluxo magnético em uma espira
induz uma tensão elétrica entre os terminais desta. Fazendo uso deste princípio, geradores
possuem espiras imersas em campos magnéticos variantes no tempo. Estas espiras são
comumente chamadas de estator. A energia necessária para causar variação do campo
magnético no estator vem do movimento do motor a combustão. Existem basicamente
duas formas de ligar a variação do campo magnético ao movimento do motor: com imãs
permanentes e com bobinas de campo. No primeiro caso, um ou mais imãs são presos ao
eixo do motor, fazendo com que o campo magnético em volta dele varie com o tempo.
No segundo caso, a bobina de campo, ou enrolamento de campo, é percorrida por uma
corrente, que induz um campo magnético que depende não só do movimento do motor,
mas também dessa corrente de campo.
6
Cada tipo de alternador tem suas vantagens: aqueles com campo magnético
induzido pelo enrolamento de campo podem controlar a tensão na saída através da
corrente de campo, que controla o fluxo magnético. Esta solução é bastante elegante, pois
evita desperdícios de energia causados por tensões maiores que a necessária. Já os
alternadores que utilizam imãs permanentes são mais compactos, mais leves e baratos,
por utilizarem menos peças. O motor utilizado neste projeto possui um alternador
integrado ao motor, com imã permanente e 18 enrolamentos em delta e saída trifásica [3].
Uma foto desse alternador é mostrada na Figura 2-1.
Figura 2-1 – Tampa do alternador da Honda CB600F, com os enrolamentos e
contatos de saída.
De [4], tem-se a equação que descreve a tensão induzida em uma bobina de N
espiras, girando com velocidade angular 𝜔 em um campo de fluxo 𝜙, em um instante t é
dada por:
𝑒𝑖𝑛𝑑 = 𝑁𝜙𝜔 cos(𝜔𝑡).
(1)
O fluxo magnético 𝜙 depende da geometria e material do imã, enquanto N depende das
escolhas de projeto para os enrolamentos. O termo cos(𝜔𝑡) demonstra a relação da tensão
7
induzida com a natureza rotacional do motor. Isso justifica a necessidade de um
retificador.
É importante também notar que a tensão induzida na espira é diretamente
proporcional à velocidade angular 𝜔, que é determinada pela velocidade de rotação do
motor. Ou seja, a tensão induzida nas espiras quando o motor estiver funcionando a 2.000
RPM será um quinto daquela quando o motor girar a 10.000 RPM. Isso justifica a
necessidade de um circuito regulador de tensão.
2.2 – Retificadores
Retificadores convertem corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC). O
principal componente de um retificador é o diodo que, em resumo, permite que correntes
elétricas fluam em apenas um sentido. Quando a tensão sobre o diodo ultrapassa certo
limiar, geralmente 0,7 V, ele passa a conduzir corrente elétrica. Então, enquanto ele
estiver diretamente polarizado, a tensão após o diodo tem a mesma forma que antes,
reduzida de 0,7 V. Enquanto estiver inversamente polarizado ele não permite passagem
de corrente. Este princípio é representado na Figura 2-2.
Figura 2-2 – Simulação de um diodo, para ilustração de seu funcionamento.
8
Fazendo um arranjo diferente de diodos, é possível retificar tanto a parcela
positiva quanto a negativa da tensão de entrada, fazendo assim um retificador de onda
completa, como na Figura 2-3.
Figura 2-3 – Simulação de um retificador de onda completa.
Sabendo que o alternador é trifásico, é possível fazer um circuito retificador
trifásico de onda completa, como na Figura 2-4. RL representa a carga que este circuito
alimenta, que pode ser qualquer combinação de elementos lineares ou não.
Figura 2-4 – Circuito retificador trifásico de onda completa.
9
A Figura 2-5 ilustra as formas de onda em um circuito como o da Figura 2-4, com
fases senoidais na entrada e o resultado retificado na saída.
Figura 2-5 – Gráficos mostrando efeito do retificador trifásico.
Fonte: Wikimedia Foundation [5].
Dado que a tensão em cada fase do alternador é perfeitamente senoidal, tem-se
uma tensão com ripple de aproximadamente 4,2% e nível DC de 1,654 ∙ 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 [6]. Por
10
mais que o ripple seja satisfatoriamente baixo, a tensão na saída ainda depende da
amplitude da tensão na entrada. Ou seja, mesmo retificando, existe a possibilidade de
sobretensão. Então, apenas o retificador não garante uma alimentação estável na saída
caso a entrada varie.
2.3 – Reguladores de Tensão
A função primordial de um regulador de tensão é manter a tensão elétrica em sua
saída no nível especificado, independente de oscilações na tensão de entrada, ou da
corrente drenada na saída. A Figura 2-6 ilustra esse conceito.
Figura 2-6 – Esquema básico de funcionamento de um regulador.
Existem tanto reguladores AC quanto DC. Reguladores automotivos se propõem
a deixar a tensão na saída tão constante quanto possível (DC). No caso deste trabalho, o
regulador deve manter a tensão de saída em 14 V.
Diversas topologias são capazes de cumprir esta função, tais como:

Fontes lineares com filtros;

Reguladores transistorizados;

Fontes chaveadas.
Nas seções seguintes estas topologias são descritas e comentadas quanto à sua
relevância para a aplicação deste projeto.
2.3.1 – Fontes e Reguladores Lineares
Fontes lineares, simplesmente por serem lineares, não atendem à função de
regulador, já que a tensão de saída é sempre proporcional à de entrada. Por este motivo,
a opção de fontes lineares foi descartada.
Reguladores de tensão transistorizados, como o da Figura 2-7, cumprem de forma
mais satisfatória o papel de regular a tensão, pois o transistor é capaz de reajustar o
11
fornecimento de corrente tal que a tensão na saída seja fixa, tendo como referência, por
exemplo, um diodo Zener.
Figura 2-7 – Esquema básico de circuito regulado a transistor.
A tensão na saída é dada pela malha composta pelo diodo Zener, a junção baseemissor e a carga. As quedas de tensão são aproximadamente fixas tanto no diodo Zener,
quanto na junção base-emissor, dado que estes estejam devidamente polarizados. Assim,
temos uma tensão razoavelmente fixa sobre a carga:
𝑉𝐿 = 𝑉𝑧 − 𝑉𝑏𝑒
(2)
O problema é que a diferença entre a tensão de entrada e a de saída fica entre os
terminais de coletor e emissor do transistor, enquanto a corrente que alimenta a carga sai
do emissor, conforme ilustrado na Figura 2-7. Assim, temos que a tensão na junção
coletor-emissor é
𝑉𝑐𝑒 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡 ≠ 0 e que
(3)
𝑖𝐿 = 𝑖𝑒 .
(4)
Entretanto, sabe-se que a potência dissipada em um componente é dada por
𝑃 = 𝑉𝑖.
(5)
A diferença de potencial 𝑉𝑐𝑒 e a corrente fornecida 𝑖𝐿 fazem com que uma energia não
nula seja dissipada no transistor. Quanto maior a corrente na carga 𝑖𝐿 , ou a diferença entre
𝑉𝑖𝑛 e 𝑉𝑜𝑢𝑡 , maior será a potência dissipada no transistor. Como a aplicação deste projeto
prevê uma corrente 𝑖𝐿𝑚𝑎𝑥 ≅ 30 A, supondo 𝑉𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥 ≅ 16 V e 𝑉𝑜𝑢𝑡 ≅ 13 V, teríamos, no
pior caso, 𝑃 ≅ (16 − 13) ∙ 30 = 90 W. Sabendo que o alternador consegue entregar, no
máximo, 333 W, uma fração de 27% da energia seria dissipada como calor apenas no
transistor. Além da grande perda de energia de um regulador com eficiência de apenas
12
73%, um componente que não queime ao dissipar tanto calor seria demasiadamente caro.
Por isto, este modelo também foi descartado para a implementação deste projeto.
2.3.2 – Fontes Chaveadas
Nas fontes chaveadas a eficiência é significativamente melhorada, pois o
transistor trabalha chaveando entre os estados aberto e fechado. Enquanto o transistor
estiver em corte, os terminais coletor e emissor estão em aberto, conforme ilustrado na
Figura 2-8a. Neste momento, a diferença de tensão entre entrada e saída fica sobre estes
terminais. No entanto, não há corrente passando pelo dispositivo. Logo, não há potência
dissipada no transistor, enquanto este está em aberto. Enquanto isso, a corrente consumida
pelo circuito do carro é fornecida pela bateria.
Figura 2-8 – Circuito regulador ilustrando o funcionamento do transistor como
uma chave: a) Chave aberta b) Chave fechada.
Quando o transistor está conduzindo no modo de saturação, há corrente passando
pelo transistor. Contudo, a tensão sobre estes terminais é bem próxima de zero, o que faz
com que pouca energia seja dissipada no transistor. Assim, só ocorrem perdas durante a
comutação enquanto a chave muda o seu estado de aberto para fechado e vice-versa. Por
isso, as fontes chaveadas são mais eficientes quando comparadas com reguladores
lineares com transistor. A Figura 2-9 mostra como as grandezas 𝑣𝑐𝑒 , 𝑖𝑒 e 𝑃 variam com o
13
tempo, dependendo do estado da chave. Para melhor exemplificar a potência dissipada, o
gráfico mostra o acumulado da energia total dissipada:
𝐸 = ∫ 𝑃 𝑑𝑡.
(6)
Figura 2-9 – Gráficos que ilustram a energia dissipada no transistor, em uma fonte
chaveada como a da Figura 2-8.
2.4 – Controle PWM
Do inglês, Pulse Width Modulation, ou modulação por largura de pulso, um sinal
PWM consiste de uma onda quadrada, com a largura de cada pulso podendo ser ajustada.
A Figura 2-10 ilustra um sinal PWM.
Figura 2-10 – Exemplo de sinal PWM.
No primeiro ciclo, o pulso dura 50% do período. Neste caso, diz-se que o ciclo de
trabalho, ou duty-cycle, foi de 50%. No segundo e no terceiro ciclos, o duty-cycle é,
respectivamente, 25% e 75%. Importante notar que, independentemente das larguras dos
pulsos ou de como estes variam com o tempo, a frequência do sinal é constante:
1
𝑓= .
𝑇
14
(7)
O princípio de funcionamento básico de um comparador PWM consiste em
comparar um sinal de entrada com um sinal dente de serra ou triangular. Enquanto a
tensão de entrada for maior que a da onda triangular, a saída é saturada no valor mínimo.
Quando a tensão da onda triangular ultrapassa o sinal de entrada, a saída satura no valor
máximo. A Figura 2-11 ilustra esse funcionamento. Importante notar que se as tensões na
entrada do comparador forem invertidas, essa relação na saída também será invertida.
Figura 2-11 – Ilustração de funcionamento de comparador PWM.
Controladores PWM possuem diversas funções, tais como modular sinais e
controlar motores ou chaves, bastando adicionar um estágio de driver para prover
potência para acionar o motor ou a chave.
Capítulo 3 – Projeto
Depois de conhecer os diversos tipos de circuitos que poderiam atender à demanda
deste trabalho, define-se o circuito base para o projeto: regulador em série, chaveado com
15
MOSFET de potência, controlado por PWM. Um diagrama simplificado deste circuito é
apresentado na Figura 3-1, abaixo.
Figura 3-1 – Diagrama simplificado do circuito regulador.
A escolha por um circuito chaveado se dá pela eficiência que esses tipos de fonte
têm. Foi escolhido um MOSFET por sua alta capacidade de prover corrente, necessitando
uma pequena corrente transitória no gate, que serve exclusivamente para carregar e
descarregar suas capacitâncias internas. Já a escolha pelo controle PWM é decorrente da
facilidade de se encontrar circuitos integrados que implementem este tipo de controle,
que é muito eficaz para circuitos chaveados.
Em se tratando de um regulador automotivo, ele deve, idealmente, alimentar o
circuito com uma tensão de 14±0,4 V e ser capaz de entregar uma corrente de até 30 A.
O alternador, o retificador, o circuito do carro e sua bateria não serão alterados neste
projeto, que contempla apenas o regulador de tensão.
Como a potência entregue pelo regulador é alta, é interessante escolher uma
frequência de chaveamento acima da faixa audível, para evitar ruídos desagradáveis.
Portanto, escolheu-se fosc = 30kHz.
3.1 – Entorno do Regulador
O regulador é inserido entre o retificador e a bateria, conforme ilustrado na
Figura 3-2. O bloco M representa o alternador do motor, com suas três fases. O bloco
com desenho de um diodo representa a ponte retificadora trifásica de onda completa,
enquanto 𝑍𝐿 representa os circuitos do carro, ou seja, a carga a ser alimentada.
16
Figura 3-2 – Diagrama básico que representa o circuito do regulador e suas
conexões.
3.1.1 – Circuitos Conectados à Entrada do Regulador
Sabe-se que o alternador do motor em questão é trifásico, com conexão em delta
e potência máxima de 333 W [3]. Observando o alternador disponível de um motor
desmontado da equipe, é possível ver que se tratam de 18 enrolamentos, com seis para
cada fase (Figura 2-1). Após o alternador há uma ponte retificadora de onda completa,
como na Figura 3-2.
Conforme descrito na Seção 2.2, sabe-se que em sistemas com alternadores
trifásicos e pontes retificadoras o ripple na saída é menor que 5%. Com isso fica claro
que não é necessário utilizar filtros passivos, como capacitores ou indutores, após o
regulador. Caso o alternador possuísse uma geometria tal que as formas de onda de tensão
na saída fossem ondas quadradas, este ripple seria ainda menor.
No entanto, como a tensão na saída do retificador depende da tensão de pico na
entrada, a qual pode variar bastante dependendo da rotação do motor, um circuito
regulador se faz necessário, para garantir que não ocorram sobrecargas na bateria e no
circuito do carro.
3.1.2 – Circuitos Conectados à Saída do Regulador
Após o regulador há uma bateria de 12 V com capacidade de 18 Ah, e a carga a
ser alimentada, que representa todos os componentes do carro (Figura 3-2). Entre estes
componentes estão módulos de injeção e ignição, bicos injetores e primários de bobinas,
bomba de gasolina e ventoinha. Todos esses componentes têm uso variável, ou seja,
nenhum fica ligado o tempo todo. Em especial, os bicos e as bobinas são chaveados, com
frequência variável, dependendo da rotação desejada no motor. Ou seja, trata-se de uma
carga com características capacitivas e indutivas, além de ser não linear.
17
Para dimensionar o sistema elétrico do caro, todo ano é feito um balanço de carga,
em que as correntes máximas de cada componente são medidas. Com isto, existe uma
estimativa de corrente máxima, conforme apresentado na Figura 3-3 para cada
componente do carro.
Figura 3-3 – Diagrama representando o balanço de carga.
Somando as correntes dos blocos apresentados na Figura 3-3, é possível obter a
estimativa de corrente máxima total de 24,75 A. Esta corrente seria requerida em uma
situação extrema, em que todos os componentes estivessem ligados em carga máxima, ao
mesmo tempo. Caso esta situação ocorresse de verdade, seria por um curto período de
tempo. De toda forma, por segurança, o projeto deve estar preparado para funcionar bem,
mesmo nessa condição extrema. Como os valores no balanço são estimados, é importante
que exista uma margem de segurança. Assim, a corrente máxima, para fins de projeto, é
arbitrada em 30 A.
3.2 – Topologia
A Figura 3-1 contém diversos blocos que compõem o circuito regulador. Nesta
seção cada bloco é detalhado em sua subseção, a seguir.
18
3.2.1 – Chave
Dentre os diversos componentes que podem atuar como chave, foi escolhido o
MOSFET canal P de potência IRF9530N, pois ele suporta até 14 A contínuos e até 54 A
pulsados, sendo ativado com apenas 2 V de tensão na porta (gate). Mesmo que a tensão
de limiar desse MOSFET seja maior que a de um BJT típico (0,6 V), é possível utilizar
mais de um MOSFET em paralelo, sem a necessidade de equalização de corrente. A
disponibilidade desse MOSFET de potência no mercado brasileiro foi outro fator
determinante na escolha.
O terminal porta do MOSFET é comandado pelo driver, enquanto a fonte é ligada
à entrada (através do controle de corrente) e o dreno à saída.
Figura 3-4 – MOSFET atuando como chave no regulador de tensão.
Mesmo que o limite de corrente pulsada deste dispositivo seja maior que o
requisitado, utilizam-se neste projeto dois MOSFETs em paralelo, para evitar o estresse
do componente.
3.2.2 – Controlador PWM
Existem diversos circuitos integrados (CI) comerciais que realizam controles por
PWM. Por disponibilidade de mercado, escolheu-se o SG3524, que é pensado para
realizar controles chaveados e possui diversas funções interessantes, como proteção
contra sobrecorrente, amplificador de erro e referência de tensão já regulada. A Figura 3-5
contém um diagrama simplificado que demonstra o funcionamento interno do SG3524.
19
Figura 3-5 – Diagrama simplificado do funcionamento interno do SG3524.
Utilizando seu amplificador de erro, põe-se na entrada não inversora IN- uma
tensão fixa em 2,5 V, a partir de um divisor resistivo da referência fixa do próprio
controlador. Na entrada inversora põe-se a tensão vinda da amostragem de tensão,
criando, assim, uma realimentação negativa. O regulador ajustará a largura dos pulsos tal
que as entradas IN- e IN+ estejam iguais. Se a entrada IN- variar, haverá uma diferença
de tensão, que será amplificada e fará a largura do pulso aumentar ou diminuir. Com isto,
a tensão média na saída aumenta ou diminui de acordo, mudando também a tensão na
entrada IN-. Assim, o circuito volta ao equilíbrio. A Figura 3-6 ilustra esta montagem.
Figura 3-6 – Malha de realimentação do controlador PWM, simplificada.
20
Para que o circuito integrado funcione, ele deve ser alimentado com tensões entre
8 e 40 V. Para garantir que este limite nunca seja ultrapassado, é proposto um circuito de
alimentação separado, detalhado na Seção 3.2.3.
Para que o circuito chaveie na frequência desejada, os componentes Rt e Ct,
ligados respectivamente aos pinos 6 e 7 conforme Figura 3-7, devem ser dimensionados
de acordo, pois eles são utilizados pelo oscilador interno do CI para definir a frequência
de chaveamento. Do gráfico fosc x Rt, presente no manual do SG3524 [7], obtemos os
valores de Ct e Rt, tal que a frequência de chaveamento seja 30 kHz. Escolhendo
Rt = 1,2 kΩ e Ct = 27 nF, temos uma frequência medida de 30,5 kHz.
Figura 3-7 – Detalhe da conexão dos pinos Rt e Ct no SG3524.
3.2.3 – Alimentação do Controlador
Como o SG3524 tem a tensão de alimentação limitada a 40 V, regular sua
alimentação ajuda a garantir que este componente não queime em caso de a tensão de
entrada ficar anormalmente grande. Isto é útil também, pois deixa o projeto utilizável em
outras aplicações.
Para isto, foi utilizado um circuito semelhante àquele presente na Figura 2-7,
utilizando um diodo Zener, tal que a tensão de saída seja sempre menor ou igual a 11,3 V
(no circuito real, a saída medida foi de 17,2 V). A saída deste regulador serve para
alimentar exclusivamente o SG3524, enquanto os outros estágios são alimentados pela
entrada. A Figura 3-8 representa o regulador utilizado.
21
Figura 3-8 – Regulador da alimentação para o controlador PWM
Teoricamente, tem-se:
𝑉𝑐𝑐 = 𝑉𝐷1 − 𝑉𝑏𝑒𝑄5
(8)
𝑉𝑐𝑐 = 12 − 0,7 = 11,3 V
(9)
Esta equação é válida para qualquer 𝑉𝑖𝑛 > 12 V. Se 𝑉𝑖𝑛 for menor que este limite,
os diodos Zener e o transistor não estarão corretamente polarizados e 𝑉𝑐𝑐 ∝ 𝑉𝑖𝑛 .
Na Seção 2.3.1 é comentado que este tipo de circuito pode dissipar muita energia,
caso a tensão ou a corrente, ou ambos, sejam altas no transistor. No entanto, como este
circuito alimentará apenas um CI e os demais componentes necessários para o
funcionamento do mesmo, o esperado é que a corrente seja da ordem de dezenas de
miliampares. Considerando que Vin alcance 20 V, a potência em Q5 seria de 2 W, no pior
caso, o que requer apenas um dissipador de calor comum.
No circuito da Figura 3-12, o diodo é o 1N759, enquanto R8 = 33 kΩ e Q6 é o
BJT NPN BD139.
3.2.4 – Driver da Chave
Da forma como está ligada, a chave funciona como um amplificador em fonte
comum. Assim, para que se tenha na saída o chaveamento ocorrendo entre zero e a tensão
de entrada, é necessário que a porta do MOSFET receba uma tensão que também varie
nestes limites. Até seria possível ligar diretamente o estágio de saída do controlador PWM
à porta do MOSFET. No entanto, a frequência de chaveamento teria de ser menor, pois a
capacitância da porta do MOSFET não seria carregada suficientemente rápida, além de o
controlador não ficar protegido contra sobretensão (Seção 3.2.3). Para solucionar estes
problemas é proposto o circuito da Figura 3-9.
22
Figura 3-9 – Circuito driver da chave.
Este circuito possui dois estágios. O primeiro, com Q1, R5, R6 e R7, é um estágio
inversor, necessário para corretamente acionar a chave, que é um MOSFET de canal P,
além de isolar a alimentação do controlador PWM. Adicionalmente, permitiria usar o
pino shutdown como limitador de corrente. Caso esse estágio não existisse, a limitação
de corrente faria a saída saturar na tensão máxima, e não na mínima. O resistor R5 serve
para descarregar a base de Q1, pois o emissor do estágio de saída do controlador PWM
estaria suspenso sem esse resistor.
O segundo, com Q2 e Q3, é um push-pull, que foi adicionado para acelerar o
acionamento da chave. Graças às capacitâncias parasitas do MOSFET, é necessário
injetar uma elevada corrente no terminal de porta para carregá-lo ou descarregá-lo
rapidamente. Ligar diretamente a saída do primeiro estágio ao MOSFET limita a
frequência de chaveamento do circuito, pois as capacitâncias parasitas do MOSFET se
carregam lentamente (Figura 3-10). Além disso, é importante que a tensão na porta fique
o mínimo de tempo possível na transição entre aberto e fechado, pois é na transição que
há o pico de dissipação de energia no circuito regulador (vide Seção 2.3.2).
É possível notar que a frequência de chaveamento na Figura 3-10 é metade
daquela da Figura 3-11. Isso se deve ao fato de que as figuras foram capturadas durante
a fase de testes, em circuitos ainda não completos. Estas figuras têm caráter ilustrativo.
23
Figura 3-10 – Tensão na porta da chave, sem o estágio push-pull.
Figura 3-11 – Tensão na porta da chave, com o estágio push-pull.
Para garantir que Q1 funcione como uma chave, R6 e R7 devem ser escolhidos tal
que o transistor funcione na saturação quando a saída do controle PWM for um nível
lógico alto. Para esta análise, considera-se o circuito da Figura 3-12.
24
Figura 3-12 – Circuito simplificado do primeiro estágio do driver da chave.
Não se deve confundir Vin com Vcc que é a tensão de alimentação do controle
PWM. Vin é igual à tensão de entrada do regulador, vinda do retificador.
Graças a esse circuito de alimentação separado para o controlador, sua saída é
limitada em 11,3 V. Assim, VPWM poderá assumir os valores zero ou 11,3 V. Quando
VPWM = 0, a tensão na base não será suficiente para polarizar a junção base-emissor, então
o transistor irá operar na região de corte, e a tensão em Vout será igual a Vin.
Quando VPWM = 11,3 V, a junção base-emissor estará diretamente polarizada e a
tensão na base VB ≅ 0,6. Com isto, a corrente na base será
𝐼𝐵 =
𝑉𝑃𝑊𝑀 − 𝑉𝐵
11,3 − 0,6 10,7
≅
=
.
𝑅6
𝑅6
𝑅6
(10)
Pela Figura 3-12 sabe-se que
𝑉𝐶 = 𝑅7 𝐼𝐶
𝐼𝐶 =
𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛 − 0,2
=
.
𝑅7
𝑅7
(11)
(12)
Quando o transistor está operando na região de saturação, sabemos que
𝐼𝐶 < 𝛽𝐼𝐵
(13)
Substituindo as equações (10) e (12) em (13), supondo Vin = 20 V e 𝛽 = 100, temos
𝑉𝑖𝑛 − 0,2
10,7
<𝛽
𝑅7
𝑅6
19,8 1070
<
𝑅7
𝑅6
𝑅6
< 54.
𝑅7
(14)
Escolhendo os valores 𝑅6 = 10 kΩ e 𝑅7 = 2,2 kΩ, a equação (14) é satisfeita.
25
3.2.5 – Amostragem de Tensão
Para que o circuito funcione como regulador de tensão, é necessário medir a
tensão de saída e realimentá-la de tal modo que a tensão média desejada seja obtida na
saída. Para isto, existe o circuito de amostragem que amostra a tensão média na saída e a
abaixa para um valor que o controlador possa lidar.
Figura 3-13 – Circuito que implementa a amostragem de tensão na saída.
O resistor R1, juntamente com o potenciômetro, formam um divisor resistivo,
enquanto o capacitor em conjunto com o resistor e o potenciômetro formam um filtro RC
para obter apenas a parcela média da tensão na saída.
Figura 3-14 – Detalhe do divisor resistivo do circuito de amostragem.
O ganho DC do divisor resistivo é dado por:
𝑉𝑝𝑜𝑡 (1 − 𝑝𝑜𝑡) ∗ 𝑅
=
,
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑅1 + 𝑅
(15)
sendo 𝑝𝑜𝑡 o ajuste do potenciômetro, que pode variar de 0 a 1, R é a resistência total do
potenciômetro e 𝑉𝑝𝑜𝑡 a tensão de saída do divisor resistivo.
26
Figura 3-15 – Detalhe da resistência vista pelo capacitor no filtro RC de
amostragem de tensão, independentemente do ajuste do potenciômetro.
Supondo que a chave é ideal e que o conjunto alternador mais retificador funciona
como uma fonte de tensão com uma impedância de saída desprezivelmente baixa, a
resistência equivalente que o capacitor enxerga é a associação em paralelo do
potenciômetro com a resistência de realimentação, resultando na seguinte frequência de
corte:
𝑓𝑐 =
1
1
=
.
2𝜋𝑅𝐶 2𝜋(𝑅𝑝𝑜𝑡 ⫽ 𝑅1)𝐶
(16)
Esta frequência deve ser ajustada para ficar confortavelmente abaixo da
frequência de chaveamento, para que a amostragem represente apenas o nível médio da
tensão de saída. Sem o capacitor, o controlador PWM tenta reajustar a largura do pulso
baseado na tensão instantânea da saída, que estará o tempo todo mudando, causando
grande instabilidade e não conseguindo efetivamente regular a tensão média na saída. Um
bom parâmetro de projeto é ajustar o filtro para uma frequência mais de dez vezes menor
que a frequência de chaveamento. Arbitrando-se 𝑅𝑝𝑜𝑡 = 5 kΩ, 𝑅1 = 10 kΩ e
𝐶 = 100 nF, tem-se:
𝑓𝑐 =
1
1
=
= 477 Hz,
2𝜋(5𝑘 ⫽ 10𝑘)100𝑛 2𝜋 ∗ 3,33𝑘 ∗ 100𝑛
(17)
que é aproximadamente 60 vezes menor que a frequência de chaveamento do circuito.
Isso faz com que o filtro produza uma atenuação maior que 20 dB na parcela da tensão
na saída correspondente à componente do chaveamento em 30 kHz.
3.2.6 – Limitador de Corrente
Mesmo o circuito sendo projetado para alta corrente, ele não é imune a problemas
como curto-circuito na saída. Geralmente a solução mais adotada é um fusível em série.
No entanto, um MOSFET queima mais rapidamente que um fusível, inutilizando a
27
proteção do mesmo. Para oferecer proteção real é necessário projetar um sistema que
limite a corrente entregue pelo regulador.
O controlador PWM SG3524 disponibiliza diversas formas de implementar este
limitador. Existe o amplificador limitador de corrente, o pino SHUTDOWN e o pino
COMP, presentes na Figura 3-5. Na prática, todas as limitações puxam a tensão em
COMP para zero, pois se o pino COMP for aterrado, o circuito não chaveia e a tensão na
saída fica também em nível zero, abrindo a chave do regulador.
É possível fazer um controle do tipo binário, em que o circuito desliga a partir de
um limite. Isto é possível, impondo uma tensão alta no pino de SHUTDOWN, utilizando
algum circuito que consiga zerar o pino COMP externamente, ou utilizando o pino
CurrLim+ como pino de shutdown, quando CurrLim- estiver aterrado. Detalhes são
explicados no manual do CI.
Também é possível fazer um controle proporcional, ao invés de binário. Para isto,
existem as entradas CurrLim+ e CurrLim-. Quando uma tensão maior que 200 mV é
aplicada entre estes terminais, ele começa a forçar a tensão em COMP para zero. Quando
a diferença alcança aproximadamente 225 mV, a tensão em COMP já está zerada. Este
sensor de corrente integrado é do tipo low-side, ou seja, a tensão de modo comum 𝑉𝐶𝑀
deve estar próxima da referência de terra. Mais especificamente, segundo o manual do
CI, as entradas IN- e IN+ não podem, cada uma, estar acima de 1 V ou abaixo de –1 V.
Medições de corrente somente são possíveis de forma indireta. Seja medindo a
tensão em uma resistência de valor conhecido ligada em série, seja medindo o fluxo
magnético em alguma parte do circuito por onde passe a corrente a ser medida. Medições
por campo magnético são mais comuns em correntes mais elevadas, enquanto medições
com resistências em série são mais utilizadas em circuitos de média ou baixa corrente,
pois a medição depende da precisão do valor da resistência, que por sua vez é mais difícil
de garantir em resistências muito pequenas.
28
Figura 3-16 – Circuito que pode limitar a corrente.
Uma forma de implementar o limitador de corrente é utilizando o circuito da
Figura 3-16. Nesse circuito, quando a queda de tensão em Rlim for igual a 0,6 V, o
transistor é polarizado diretamente e, através do divisor resistivo, o pino SHUTDOWN
do CI SG3524 recebe o valor de tensão apropriado para desligar o circuito. O capacitor
ajuda a evitar que ruídos provoquem acionamentos acidentais. O problema com este
circuito está no valor de Rlim. Como o projeto prevê uma corrente de 30 A, o valor de
Rlim deveria ser:
𝑅𝑙𝑖𝑚 =
𝑉𝑅𝑙𝑖𝑚 0,6
=
= 0,02 Ω.
𝐼𝑚𝑎𝑥
30
(18)
Tal valor de resistência é muito difícil de encontrar, pois é preciso um resistor de alta
precisão. Além disso, o resistor precisaria dissipar uma potência relativamente alta:
𝑃𝑅𝑙𝑖𝑚 = 𝑉𝑅𝑙𝑖𝑚 ∗ 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 0,6 ∗ 30 = 18 W.
(19)
Por fim, além de não disponível, dispositivos tão precisos são tipicamente muito caros.
Uma solução para este problema é utilizar o CI ACS712, que mede correntes de
até 30 A com um sensor de efeito Hall. Existe à venda, com o mesmo nome, uma placa
de circuito própria para Arduino, contendo esse CI e o circuito mínimo para fazê-lo
funcionar e poder conectá-lo facilmente a outros dispositivos. A Figura 3-17 ilustra a
placa de circuito com o ACS712 e suas conexões. A Figura 3-4 demonstra como esse
circuito é conectado ao restante do regulador, com P1 conectado a Vin e P2 à chave.
29
Figura 3-17 – Ilustração do ACS712, com suas conexões.
Este circuito é alimentado com 5 V e sua saída é igual a 2,5 V quando a corrente
entre os terminais P1 e P2 é nula. Quando a corrente chega a 30 A, a saída vai a 5 V, e
quando a corrente é de -30 A, a saída assume uma tensão nula. Como a medição é feita
por efeito Hall, a resistência em série adicionada ao circuito é extremamente pequena
(1,2 mΩ). Utilizando um divisor resistivo, é possível abaixar os 5 V para 0,7 V, que
acionam o pino SHUTDOWN. Utilizando um potenciômetro no divisor é possível ajustar
a corrente máxima a ser limitada.
Figura 3-18 – Esquemático da conexão do medidor de corrente e o pino
SHUTDOWN.
Com um potenciômetro de 5 kΩ e R9 = 12 kΩ, a corrente máxima pode ser
ajustada desde infinito (potenciômetro em 0%) até zero (potenciômetro em 100%). Em
50%, o potenciômetro ajusta a corrente máxima para 30 A.
Quando a corrente medida é de 30 A, o pino OUT fica em 5 V. Com o
potenciômetro em 50%, temos:
30
𝑉𝑠ℎ𝑢𝑡𝑑𝑜𝑤𝑛 =
(1 − 𝑝𝑜𝑡) ∗ 𝑅𝑝𝑜𝑡2
0,5 ∗ 5𝑘
∗ 𝑉𝑜𝑢𝑡 =
∗ 5 ≅ 0,7 V.
𝑅9 + 𝑅𝑝𝑜𝑡2
12𝑘 + 5𝑘
(20)
Ou seja, com o ajuste em exatamente 50%, o pino SHUTDOWN será ativado quando a
corrente atingir 30 A, pois o pino é ativado com 0,7 V, segundo o manual do controlador
PWM [1]. Com cálculos análogos é possível demonstrar os outros valores de limite de
corrente.
Como a limitação de corrente é sempre feita (internamente ou externamente) no
pino COMP, o resultado é a tensão média na saída variar. Ou seja, o controle de corrente
é feito indiretamente, abaixando a tensão média de saída, conforme a corrente se aproxima
de seu limite. Em caso de curto-circuito depois da bateria, o regulador é desabilitado. No
entanto, como a bateria está em paralelo com a saída, ela não fica protegida contra curtoscircuitos no próprio regulador. Existem, no entanto, fusíveis para proteger
especificamente a bateria.
3.3 – Análise do Circuito
Por se tratar de um regulador chaveado, é esperado na saída um sinal quadrado,
com tensão máxima muito próxima à entrada, e a tensão mínima igual à tensão na bateria.
A largura dos pulsos positivos é ajustada de acordo com a tensão média na saída. Quando
a saída estiver acima do limiar desejado o ciclo de trabalho, ou duty-cycle, diminui,
podendo chegar a 0%. Quando a tensão é menor que a desejada, o duty-cycle aumenta,
podendo alcançar o limite de 90%.
Conforme explicado na Seção 3.2.5, o circuito de amostragem tira a média e
abaixa a tensão da saída, para ser comparada pelo SG3524 a uma referência fixa.
Internamente, o controlador PWM ajusta a largura dos pulsos conforme a tensão média
fica acima ou abaixo do limiar fixo.
No estágio de saída do comparador PWM, os transistores NPN são polarizados
para funcionar em saturação ou em corte, assim como os estágios seguintes. A saída do
SG3524 é alimentada com a tensão Vcc, regulada em 11,3 V, para não queimá-los caso a
tensão de entrada ultrapasse os 40 V. O estágio seguinte serve para inverter a tensão vinda
do comparador PWM, pois a chave é de tipo P e é acionada com tensões baixas. Esta
topologia permite também que o controle de corrente funcione. Em seguida o estágio
push-pull garante correntes suficientes para carregar e descarregar as capacitâncias
parasitas do IRF9530 rápido o bastante para que ele chaveie corretamente na frequência
31
de 30 kHz. Finalmente, a Figura 3-19 contém o diagrama esquemático de todo o circuito
regulador, com exceção do limitador de corrente, que será abordado em trabalhos futuros,
no Capítulo 7. Os pinos dos SG3524 que não foram representados na Figura 3-19 foram
deixados em aberto.
32
Figura 3-19 – Circuito do regulador com todos os componentes.
33
Capítulo 4 – Simulação
Como regra geral, na engenharia é sempre importante realizar simulações antes
dos testes reais, para melhor compreender o comportamento do circuito. Na simulação
pode-se medir e comparar sinais em qualquer parte do circuito, e estas medições podem
servir de base para testar se o circuito real está funcionando corretamente.
Em especial, neste projeto é de suma importância que existam simulações, já que
a corrente de carga teórica é grande o bastante para queimar vários componentes do
circuito, em caso de falhas. Por isso, é importante ter certeza que o circuito funciona bem
nas simulações.
4.1 – Ambiente de Simulação
Neste projeto é utilizado o OrCAD da empresa Canonical, em sua versão 16.6,
com simulação em PSpice.
Para que o circuito simulado seja fiel à realidade, é importante que os modelos
dos componentes utilizados sejam também tão fieis quanto possível. Geralmente os
fabricantes disponibilizam modelos de seus componentes, pois eles conhecem melhor
todas as suas características. Foram utilizadas, além das bibliotecas padrão do OrCAD,
as bibliotecas IRF (para o MOSFET IRF9530N), SOURCE (para as diversas fontes e
referências) PHIL_BJT (para o BJT BD135).
No entanto, um importante componente do projeto, o modulador PWM SG3524,
não tinha modelo em nenhuma das bibliotecas disponíveis, nem no site do fabricante,
nem em nenhum outro site disponível na internet. Então, um modelo para o componente
foi criado a partir das características descritas no manual do circuito integrado.
4.2 – Modelagem do SG3524
Para simular o funcionamento do CI, foi utilizado como base o diagrama de blocos
do manual do SG3524 [1]. O circuito completo na simulação está presente na Figura 4-1.
34
Figura 4-1 – Diagrama utilizado como base para simular o SG3524.
No diagrama do manual existem diversos blocos fechados, sem maiores
especificações ou explicações de funcionamento. Para simular estes blocos foi necessário
juntar informações por todo o manual, assim como realizar testes e medições no CI real.
Os componentes do SG3524 que foram modelados e utilizados no projeto são:

Bloco “regulador de referência”

Bloco flip-flop “T”

Bloco “oscilador”

Portas lógicas NOR

Amplificador “comparador”

Amplificador “amplificador de erro”

Transistores NPN
A modelagem de cada componente supracitado é explicada em sua respectiva
subseção, a seguir:
4.2.1 – Bloco ”Regulador de Referência”
O SG3524 inclui internamente um regulador de tensão, que alimenta os
componentes internos do CI com 5 V. Este componente foi modelado através de uma
fonte ideal de 5 V.
35
Uma vantagem de simular desta forma é a simplificação dos cálculos nas
simulações. Uma desvantagem é o modelo supor que a alimentação externa sempre está
entre 8 V e 40 V, condição em que o circuito funciona normalmente. Nesta simulação,
caso a alimentação externa estiver abaixo de 8 V, por exemplo, os componentes internos
ainda serão alimentados normalmente, enquanto o circuito real não funcionaria.
Nesta fonte foram adicionadas resistências com valores muito baixos (0,01 Ω),
que servem apenas para que o simulador considere os nós das conexões da fonte
diferentes dos nós ligados ao resto do circuito. Isto evita problemas em o simulador achar
que a fonte está curto-circuitada com algum indutor ou outra fonte (o que traria problemas
com correntes infinitas, já que os fios do circuito têm resistências absolutamente nulas).
Os nós da fonte (após os resistores quase nulos) foram renomeados para 𝑣+ e 𝑣-, pois os
outros componentes são, por padrão, alimentados por nós com estes nomes. Isto é
importante para questões como excursões de sinal nos comparadores.
4.2.2 – Bloco “Oscilador”
O manual não diz explicitamente qual o tipo de oscilador utilizado. Contudo, é
possível inferir que se trata de um oscilador de relaxação que carrega o capacitor 𝐶𝑡 com
uma corrente constante controlada por 𝑅𝑡 , para então descarregar o capacitor
rapidamente, formando assim a onda dente de serra. Este funcionamento é explicado no
manual do SG3524 [1].
Pelo teorema da substituição, o pulso de descarga do capacitor é simulado com
uma fonte VPULSE. A tensão varia entre 0 V e 3,5 V, conforme citado no manual. A
duração entre os pulsos é o que determina a frequência de oscilação do circuito. No
1
modelo, é definida pelo parâmetro 𝑇 = 𝑓. A duração do pulso também depende da
frequência de oscilação, e seu valor mínimo pode ser encontrado no mesmo manual. No
modelo, foi utilizado o valor de 2 μs. Os tempos de subida e descida foram arbitrados em
100 ps, para dar um formato quadrado à tensão. Este pulso é externado pela saída OscOut
do circuito integrado, conforme é observado na Figura 4-2. Na Figura 4-3 é mostrada a
forma de onda simulada pela fonte VPULSE no modelo PSpice do CI.
36
Figura 4-2 – Tensão no pino OscOut em um SG3524 funcionando normalmente.
Figura 4-3 – Em cima, fonte VPULSE ajustada para funcionar como pulso de
descarga. Embaixo, tensão proveniente da fonte na simulação, quando
𝑇 = 0,1 ms.
Já a onda dente de serra é modelada com outra fonte VPULSE, que compartilha
frequência de oscilação e tensões máxima e mínima com a fonte do pulso de descarga. O
37
tempo de subida depende do período de oscilação, enquanto o tempo de descida é dado
pela duração do pulso de descarga de 2 μs. A forma de onda produzida pela fonte
VPULSE adotada no modelo é exibida na Figura 4-4.
Figura 4-4 – Em cima, fonte VPULSE ajustada para funcionar como dente-deserra. Em baixo, tensão proveniente da fonte, quando 𝑇 = 0,1 𝑚𝑠
4.2.3 – Amplificadores
No manual do SG3524 é dito que o amplificador de erro é um amplificador de
transcondutância com impedância de saída 5 MΩ. Para modelar esta fonte foi utilizada
uma fonte ideal de corrente controlada por tensão, além de componentes na saída para
simular efeitos de limites máximos de excursão de sinal dos componentes reais.
Como o ganho máximo de tensão, em malha aberta, neste amplificador é de 80
dB, tem-se:
80 = 20 ∗ log (
𝑣𝑜𝑢𝑡
)
𝑣𝑖𝑛
80
𝑣𝑜𝑢𝑡
= 1020 = 10000 V/V.
𝑣𝑖𝑛
(1)
(2)
Como a impedância de saída deste estágio é de 5 MΩ, temos que o ganho de
transcondutância do amplificador de erro é:
38
𝐺𝑀 =
104
= 2 mA/V.
5 ∗ 106
(3)
A impedância de saída é representada pelo resistor R9. A fonte V6 e o diodo D1
garantem que a tensão em COMP fique abaixo dos 5 V. A fonte V4 serve para que quando
o amplificador G1 tiver saída nula, o offset de tensão na saída de COMP seja 2,5 V.
Figura 4-5 – Circuito que modela o bloco amplificador de erro.
Já o comparador, foi implementado através do LM393, por falta de maiores
informações. Como o estágio de saída do LM393 possui coletor aberto, foi necessário
polarizá-lo com uma resistência de 3 kΩ, valor recomendado em seu próprio manual. Por
restrição deste comparador, existem limitações de excursão de sinais na entrada dele.
Sinais maiores que 3,5 V e menores que 1 V saturam a saída em máximo e mínimo dutycycle, respectivamente, conforme indicado no manual do SG3524 [1].
Figura 4-6 – Comparador PWM.
4.2.4 – Bloco Flip-Flop “T” e estágio de saída
No diagrama do manual do SG3524 há um flip-flop tipo T, que serve para dar
uma saída quadrada e outra inversa à primeira, com metade da frequência do resto do
39
circuito. Este flip-flop serve para acionar, um de cada vez, os estágios de saída, através
das portas NOR. Nas bibliotecas e modelos encontrados não existiam flip-flops tipo T,
que pode ser feito a partir de um flip-flop tipo D, conforme mostrado na Figura 4-7.
Figura 4-7 – Ligação de um flip-flop D para funcionar como um T.
No entanto, como esta montagem exige uma realimentação no flip-flop, ela foi
descartada, pois o simulador tem problemas com a indeterminação do valor inicial da
entrada, no instante inicial.
Por este motivo, o flip-flop foi modelado por uma fonte de onda quadrada, com
período 2𝑇, seguida de um inversor lógico para poder representar as saídas 𝑄 e 𝑄̅,
conforme ilustrado na Figura 4-8.
Figura 4-8 – Circuito que modela o flip-flop T, juntamente com as portas NOR e
os amplificadores do estágio de saída.
A Figura 4-9 mostra as formas de onda das tensões do flip-flop T, conforme
ponteiras representadas na Figura 4-7. O sinal de entrada CLK possui linhas tracejadas,
para melhor diferencia-lo dos outros. Quando o pulso CLK acontece, as saídas do flip-flop
se invertem.
40
Figura 4-9 – Sinais de um flip-flop T.
Os demais componentes foram modelados com componentes comuns de mercado
(BC546, 7427 e 7404).
4.2.5 – Portas Externas
O portão GND foi conectado à referência interna do circuito, através de uma
resistência de valor baixo, pois ao nomear uma porta o simulador renomeia aquele nó
com o nome da porta, enquanto todos os nós de terra devem, necessariamente, possuir o
nome 0, para que a simulação funcione.
As demais portas foram simplesmente conectadas aos respectivos nós do circuito.
4.2.6 – Subcircuit do Modelo
Com o circuito pronto, faltava transformá-lo em um componente utilizável como
um único bloco, para simplificar os desenhos do circuito. O OrCAD oferece ferramentas
para criar novos componentes, que não chamados de subcircuits. Foi, então, desenhado o
componente e as portas conforme ilustrado na Figura 4-10. Notar a ausência das portas 6
(Ct) e 7 (Rt), pois a frequência de oscilação é definida por um parâmetro T, externo ao
bloco.
41
Figura 4-10 – Bloco que representa o SG3524.
Uma restrição do OrCAD era que, dado que exista uma porta no desenho, esta
deve possuir ao menos uma conexão, pois ele não sabe lidar com portas suspensas, sem
valores de tensão bem definidos (mesmo que internamente existam conexões). Assim
sendo, a porta OscOut não foi representada no modelo, pois ela não é utilizada neste
projeto. A porta de alimentação também foi omitida, pois o circuito interno foi modelado
de tal forma que ela é desnecessária.
4.3 – Montagem do Circuito na Simulação
As portas no SG3524 foram ligadas conforme o projeto (Figura 3-19). O ajuste da tensão
na saída é feito por um potenciômetro. Para simular seus efeitos, foram utilizadas duas
resistências e dois parâmetros: Pot e R. As resistências são ligadas em série, e têm seus 3
terminais disponíveis, conforme ilustrado na Figura 4-11.
Figura 4-11 – Esquema que modela o potenciômetro.
O parâmetro Pot pode assumir valores entre 0 e 1, representando os limites de
ajuste do potenciômetro. Conforme Pot vai de 0 a 1, a resistência R8 aumenta, enquanto
42
R9 diminui. O parâmetro R representa a resistência total do potenciômetro (R9+R8). Para
tal, os valores dos resistores são, respectivamente:
𝑅8 = 𝑃𝑜𝑡 ∗ 𝑅 + 0,01 e
(21)
𝑅9 = (1 − 𝑃𝑜𝑡) ∗ 𝑅 + 0,01.
(22)
Em ambas as fórmulas foi adicionado o valor 0,01 para que as resistências nunca sejam
nulas. Isto evita problemas com o simulador, que não admite resistências nulas.
Os transistores IRF9530N, BD139, BC556 e BC546 estavam disponíveis em suas
respectivas bibliotecas. Para simular a tensão de entrada, foi utilizada uma fonte do tipo
VPULSE. A modelagem da tensão de entrada é feita na Seção 4.5. Para simular a carga,
foi utilizada uma resistência de valor 0,47 Ω, pois:
𝑣 14
=
= 0,47Ω.
𝑖 30
A modelagem da carga do circuito é explicada em detalhes na Seção 4.6.
𝑅=
(23)
4.4 – Configurações da Simulação
Para avaliar o funcionamento do circuito é utilizada a simulação transiente,
geralmente com Parametric Sweep, para variar alguns parâmetros do circuito, tais como
Pot, tensão de entrada e carga na saída.
A simulação falha em convergir nos resultados quando a precisão no cálculo das
correntes é menor que 0,1 ∗ 10−6 A. Então, o erro de corrente foi limitado a este valor.
4.5 – Modelagem da Tensão de Entrada
Como o circuito funciona chaveado, enquanto a chave fica aberta, a saída do
retificador fica em aberto, o que pode fazer a tensão ali subir além do desejado. Como
não foi possível medir esta tensão no motor, é feita aqui uma estimativa de 30 V, que é
aproximadamente o dobro dos valores comuns.
Com isto, a modelagem da fonte de tensão na simulação foi feita de duas formas:
usando a fonte VPULSE, com pulsos de frequência muito mais baixos que a frequência
do circuito, com tensões que variam entre 10 e 30 V; e usando uma fonte DC, cuja tensão
é variada a cada instância da simulação, entre 15 e 30 V.
43
4.6 – Modelagem da Carga
A carga do circuito representa a bateria e todo o resto do circuito que deve ser
alimentado.
O circuito real do carro, conforme descrito na Seção 3.1.2, é altamente complexo,
incluindo diversos solenoides (bicos injetores e acionador de câmbio), sensores,
centelhadores (velas), motores elétricos (motor de arranque e ventoinha), além de
circuitos integrados como a Unidade Central Eletrônica (ECU). A modelagem fiel dos
efeitos destes componentes no circuito é demasiadamente complexa, dado que vários
deles funcionam apenas em algumas situações (ventoinha só quando o motor a combustão
passa de uma dada temperatura, motor de arranque apenas durante a partida, bicos
injetores são chaveados com frequências variáveis), o que faz com que a carga seja não
linear.
No entanto, existe a bateria que funciona como um capacitor elevado. Estando em
paralelo com a carga, ela funciona como um filtro RC. No veículo da equipe é utilizada
uma bateria de 18 Ah, que equivale a 0,67 F. Já que a capacitância é muito maior que
qualquer outra capacitância do circuito, ela é virtualmente infinita e consegue filtrar os
efeitos reativos dos componentes complexos. Assim sendo, não é necessário preocuparse com estes efeitos, contanto que a bateria faça parte do circuito, o que sempre será o
caso já que o motor precisa da bateria para dar partida no mesmo. Assim, pode-se modelar
o circuito como uma resistência com valor 0,47 Ω, tal que a corrente drenada seja de 30
A quando alimentada por 14 V, conforme equação (23).
4.7 – Resultados
Conforme explicado no Capítulo 3, o SG3524 deve comandar o IRF3524N através
dos demais estágios de saída, de tal forma que, na carga, a largura dos pulsos compense
a altura dos mesmos, de maneira a alcançar a tensão média escolhida no potenciômetro,
independente da tensão de entrada.
O funcionamento básico do circuito consiste na tentativa de o controlador igualar
a tensão medida na saída com a referência. Da simulação da Seção 4.7.1, foi obtida a
Figura 4-12. Como a referência em IN+ é fixa em 2,5 V, o circuito trabalha para conseguir
o mesmo em IN-. Este comportamento está presente em todas as simulações.
44
Figura 4-12 – Tensão em IN-, variando apenas tensão de entrada.
Para testar o funcionamento do circuito, foi utilizada a análise transiente, com
varredura de parâmetros (Parametric Sweep). Diversas variações de parâmetro foram
feitas, cada uma detalhada em sua subseção, a seguir.
4.7.1 – Variando Tensão de Entrada
A tensão de entrada é dada por uma fonte DC, cujo valor varia de 15 V a 30 V, a
cada instância da simulação, com passo de 5 V. A Figura 4-13 mostra o gráfico da tensão
na saída, enquanto a Figura 4-14 mostra o gráfico da tensão média na saída sob a carga,
com 𝑃𝑜𝑡 = 0,45 e carga resistiva 𝑅𝐿 = 1 Ω. Para uma melhor visualização do gráfico, a
escala de tempo foi modificada apenas na Figura 4-13. Com este valor de 𝑃𝑜𝑡 a tensão
de saída é ajustada para aproximadamente 14 V.
Figura 4-13 – Tensão na saída, variando apenas tensão de entrada.
45
Figura 4-14 – Tensão média na saída, variando apenas tensão de entrada.
É possível observar que o circuito consegue convergir o valor médio na saída para
o desejado, em pouco mais de 2 ms, com um erro ≤ 10%. Este tempo depende da corrente
na carga. Quanto maior a corrente, maior o tempo de convergência. A Figura 4-15 mostra
as correntes médias na carga.
Figura 4-15 – Corrente média na saída, variando apenas tensão de entrada.
4.7.2 – Variando o Parâmetro Pot
O potenciômetro controla a tensão desejada na saída. Ao variar o parâmetro Pot,
vê-se na saída a tensão média variando de acordo. As simulações a seguir são feitas com
tensão de entrada de 24 V e Rl = 1 Ω, enquanto o parâmetro Pot é variado, com passo de
0,1.
46
Na primeira simulação, cujos resultados estão na Figura 4-16, Pot vai de 0 a 0,4,
enquanto que na simulação seguinte, com resultados na Figura 4-17, Pot vai de 0,5 a 1.
Valores menores de Pot geram tensões mais baixas na saída. Com Pot = 0 tem-se uma
tensão na saída de aproximadamente 8 V.
Com ajustes de Pot ≥ 0,7 a tensão ajustada deveria ser superior à tensão de entrada
de 24 V na entrada deste teste. Então, como não é possível produzir uma tensão maior
que a entrada, a tensão na saída satura em 22,4 V. A diferença de tensão se deve à queda
de tensão nas chaves.
Figura 4-16 – Tensão média na saída, variando Pot de 0 a 0,4.
Figura 4-17 – Tensão média na saída, variando Pot de 0,5 a 1.
4.7.3 – Variando a Carga na Saída
Variando a carga na saída, simula-se o comportamento do circuito ao fornecer
diferentes correntes, situação que ocorre na atuação dos diferentes componentes do carro.
47
Neste teste, a tensão de entrada é fixa em 24 V, 𝑃𝑜𝑡 = 0,45, e a carga, controlada pelo
parâmetro RL, é variada. Nesta simulação, 50 Ω ≥ RL ≥ 10 Ω, com passo de 5 Ω. As
curvas com os valores de corrente mais altos, na Figura 4-18, sempre representam os
menores valores de RL. Na mesma simulação, a tensão na carga é tal como na
Figura 4-19. É possível perceber que o regulador, nestas condições, não deixa de regular
adequadamente a tensão na saída.
Figura 4-18 – Corrente média na saída, variando RL de 50 Ω a 10 Ω.
Figura 4-19 – Tensão média na saída, variando RL de 50 Ω a 10 Ω.
Para observar a eficiência energética do circuito, a Figura 4-20 contém o gráfico
da potência média na carga dividida pela potência média na fonte. O cálculo do simulador
é pela potência dissipada, então, a potência entregue pela fonte é negativa. Para melhor
ajustar o gráfico, toda a fórmula tem seu sinal invertido. A fórmula adotada para o cálculo
da eficiência é:
48
𝑀é𝑑𝑖𝑎(𝑊
)
𝜂 = −100 𝑀é𝑑𝑖𝑎(𝑊 𝑅𝐿 ),
(24)
𝑉𝑖𝑛
sendo  a eficiência energética, em valores percentuais, 𝑊𝑉𝑖𝑛 a potência entregue pela
fonte de 24 V e 𝑊𝑅𝐿 a potência dissipada na carga. Neste gráfico, as curvas mais baixas
representam valores maiores de RL.
Figura 4-20 – Eficiência energética média do regulador, variando RL de 50 Ω a
10 Ω.
Para melhor caracterizar o desempenho do regulador entregando maiores
correntes, a simulação é refeita com o parâmetro RL variando entre 10 Ω e 1 Ω, com
passo de 1 Ω. Os resultados estão nas Figura 4-21 a Figura 4-23. Novamente, é possível
perceber que a capacidade de regulação do circuito não muda. As diferentes tensões no
início do gráfico da Figura 4-22 se devem às diferentes correntes drenadas pela carga, que
fazem o capacitor C1 se carregar mais lentamente. Importante notar que a eficiência
energética atinge seu pico com cargas entre 10 Ω e 9 Ω, representadas nas curvas mais
altas da Figura 4-23. Daí em diante, a eficiência começa a cair com a diminuição de RL,
e este padrão se mantém nos gráficos de eficiência seguintes.
49
Figura 4-21 – Corrente média na saída, variando RL de 10 Ω a 1 Ω.
Figura 4-22 – Tensão média na saída, variando RL de 10 Ω a 1 Ω.
Figura 4-23 – Eficiência energética média na saída, variando RL de 10 Ω a 1 Ω.
50
Finalmente, para testar o circuito regulador com a corrente nominal, a simulação
é refeita, com o parâmetro RL variando de 1 Ω a 0,44 Ω, com passo de 0,08 Ω. Os
resultados são apresentados nas Figuras 4-24 a 4-26.
Figura 4-24 – Corrente média na saída, variando RL de 1 Ω a 0,44 Ω.
Figura 4-25 – Tensão média na saída, variando RL de 1 Ω a 0,44 Ω.
51
Figura 4-26 – Eficiência energética média na saída, variando RL de 1 Ω a 0,44 Ω.
Na Figura 4-24 é possível ver que a corrente na carga chega a ultrapassar o valor
máximo desejado, sem que a tensão na carga varie.
Para testar o limite de funcionamento do circuito, uma última simulação é feita,
com RL indo de 0,5 Ω a 0,1 Ω, com passo de 0,1 Ω. Os resultados estão nas Figuras 4-27
a 4-29. É possível observar que o circuito ainda funciona, mesmo com correntes que
ultrapassam os 130 A. No entanto, é possível perceber que a tensão, no último teste, mal
consegue alcançar o valor de 14 V. Com correntes maiores, a tensão seria obrigada a ficar
abaixo do desejado, situação em que o regulador efetivamente já não funciona como
deveria. Por mais que MOSFETs reais não suportem esse nível de corrente, o interessante
é ver que, mudando apenas a chave, o circuito é capaz de funcionar para correntes mais
altas que os 30 A.
Figura 4-27 – Corrente média na saída, variando RL de 0,5 Ω a 0,1 Ω.
52
Figura 4-28 – Tensão média na saída, variando RL de 0,5 Ω a 0,1 Ω.
Figura 4-29 – Eficiência energética média na saída, variando RL de 0,5 Ω a 0,1 Ω.
A Tabela 1 resume os dados das simulações com variação de carga. Os valores
foram obtidos dos mesmos gráficos presentes nas figuras dessa seção, sempre no instante
t = 4 ms.
53
Tabela 1 - Resumo dos dados das simulações
RL, em Tensão média na Corrente média na
Potência média na Eficiência
Ω
saída, em V
saída, em A
saída, em W
energética, em %
50
14,42
2,88
6,82
92,92
45
14,42
3,20
7,58
93,48
40
14,42
3,61
8,53
94,01
35
14,42
4,12
9,75
94,53
30
14,43
4,81
11,38
95,08
25
14,42
5,77
13,64
95,54
20
14,42
7,21
17,04
96,05
15
14,44
9,63
22,71
96,47
10
14,43
14,43
33,94
96,75
9
14,45
16,06
37,71
96,76
8
14,44
18,05
42,32
96,74
7
14,44
20,63
48,31
96,74
6
14,44
24,06
56,20
96,58
5
14,45
28,89
67,27
96,39
4
14,45
36,11
83,77
96,16
3
14,45
48,16
110,92
95,59
2
14,45
72,23
164,00
94,37
1
14,41
14,41
314,48
90,83
0,92
14,40
15,66
339,33
90,19
0,84
14,39
17,13
368,26
89,48
0,76
14,39
18,93
403,43
88,71
0,68
14,37
21,14
445,00
87,64
0,6
14,36
23,93
497,00
86,48
0,52
14,34
27,57
562,87
85,00
0,5
14,30
28,67
581,51
87,00
0,44
14,32
32,54
648,61
83,00
0,4
14,30
35,76
702,07
84,30
0,3
14,20
47,48
883,51
80,10
0,2
14,10
70,76
1.197,70
72,70
0,1
13,50
135,38
1.838,70
56,60
54
Capítulo 5 – Construção
Finalmente, após projetar e simular o circuito, deve-se construir um protótipo para
testar seu funcionamento. Cuidados com dissipação de calor, interferência, capacitâncias
e indutâncias parasitas devem ser tomados. Informações sobre o processo de
prototipagem são descritas aqui.
5.1 – Processo de Prototipagem
Após definido o modelo do controlador PWM, foram comprados alguns, para
compreender e verificar funcionamento. Após montar alguns circuitos simples, o mesmo
processo foi feito com a chave. Finalmente, a saída do SG3524 foi conectada diretamente
ao MOSFET. Após algumas tentativas frustradas, conseguiu-se comandar a chave
diretamente com o controlador. No entanto, isso não acontecia suficientemente rápido
(graças à capacidade de prover corrente do estágio de saída em conjunto com as
capacitâncias parasitas do MOSFET), então foram adicionados estágios intermediários,
para atuarem como drivers.
Em paralelo a isto, a realimentação era testada. Era necessário dividir a tensão de
saída e obter sua média. Para isto foi utilizado o filtro RC descrito na Seção 3.2.5.
Durante os testes alguns SG3524 queimaram devido a uma alimentação com
sobretensão (simulando possível cenário adverso, de não haver carga no alternador). Para
impedir este problema foi adicionado o regulador descrito na Seção 3.2.3, presente na
Figura 3-8.
5.2 – Local e Equipamentos
O projeto foi montado e testado no Laboratório de Eletrônica para a Graduação
(LEG), no bloco H do Centro de Tecnologia da UFRJ, utilizando os equipamentos
disponíveis, geradores de função, osciloscópios (Tektronix TDS 1012-EDU), fontes
(ICEL Manaus OS-6000) e multímetros (ICEL Manaus MD-6601).
Primeiramente o circuito foi montado e testado em uma protoboard. Com o
circuito funcionando bem, este foi refeito em placa de circuito impresso.
5.3 – Placa de circuito impresso
Até este momento os testes eram feitos em uma protoboard. Com o projeto
funcionando conforme desejado, é importante fazer uma placa de circuito impresso, pois
55
esta é, eletricamente, mais estável que a protoboard, por não possuir tantas trilhas (e por
isso, tantas capacitâncias parasitas e maus contatos) e fios cruzando o circuito, além de
melhores contatos e principalmente pontos de conexão à terra sem diferenças de tensão
entre si, melhorando a rejeição a ruído ao longo do circuito. A placa de circuito é crucial
para realizar testes no carro, onde não é possível realizar um teste com protoboard,
principalmente por causa das vibrações mecânicas. No ideal de aproximar o circuito de
um produto comercial, o projeto da placa é mandatório.
5.3.1 – Metodologia
Para projetar a placa de circuito é utilizado o software Eagle 6.5.0. A placa é feita
com corrosão do cobre com percloreto de ferro. Para determinar quais partes devem ser
corroídas é utilizado o método fotográfico, em que a placa recebe uma camada de tinta
fotossensível e é exposta à luz ultravioleta. O projeto de roteamento das trilhas é impresso
em preto e branco em uma folha de transparência e a placa com a tinta recebe a luz que
passa pela transparência. Assim, quando exposta à luz, a placa recebe apenas a radiação
das partes deixadas transparentes, e não recebe nas partes pretas. A tinta que recebe
radiação fica presa à placa, enquanto as outras não. Depois, a placa é levada ao percloreto
de ferro, onde as regiões sem tinta são corroídas. As vantagens deste método são sua
grande precisão e alta resolução. O processo de construção é abordado em mais detalhes
na Seção 5.3.3.
5.3.2 – Projeto
A partir dos rascunhos do projeto, e do circuito desenhado durante as simulações,
foi feito no software Eagle o esquemático da Figura 5-1.
56
Figura 5-1 – Esquemático do circuito feito no Eagle.
Nesta figura é possível ver algumas diferenças dos esquemáticos apresentados até
aqui. A conexão entre os pinos de source dos IRFs e a entrada Vin não foi feita, pois no
circuito real ela será feita por jumpers com fios fora da placa, já que a corrente é alta
demais e nenhum outro componente precisa estar diretamente ligado aos terminais de
source dos IRF.
Os valores dos componentes foram adicionados apenas para facilitar a
identificação dos mesmos, já que os recursos de simulação deste software não foram
utilizados.
Uma etapa importante da construção deste esquemático foi a escolha de cada
componente, levando em consideração seu formato real. Esta é uma das vantagens de se
utilizar o Eagle, que tem muitas bibliotecas de diversos componentes disponíveis
gratuitamente. Um exemplo é ilustrado na Figura 5-2.
57
Figura 5-2 – Janela de escolha de componentes, mostrando tamanho reservado na
placa para o componente, incluindo pinos.
Após colocar e nomear corretamente todos os componentes no esquemático é
iniciado o trabalho com a geração do projeto de placa de circuito, através do botão
Generate/switch to board. Então, o trabalho de disposição espacial dos componentes e
trilhas é iniciado. O recurso de auto roteamento do software utiliza mais de uma camada,
o que é indesejável, pois aumenta a complexidade do projeto. Após muitas tentativas e
reorganizações, a disposição final é a da Figura 5-3.
Figura 5-3 – Disposição de componentes e trilhas entre eles.
58
As trilhas azuis fazem parte da camada bottom, enquanto as vermelhas são da
camada top. A camada bottom fica na parte de baixo da placa, enquanto a top fica em
cima. As trilhas da camada bottom realmente estarão presentes na placa, enquanto as da
top estão no projeto apenas por organização, pois estas conexões serão realizadas por fios,
o que simplifica o projeto (já que são poucos), além de aguentarem correntes maiores
(importantes nas conexões dos IRF).
Com as trilhas prontas, a placa será furada e os componentes inseridos, com os
terminais virados para o lado da camada bottom, onde serão soldados. Ou seja, a
Figura 5-3 representa a visão superior, como se a placa fosse transparente.
Para facilitar o roteamento do nó GND, que está presente em várias partes do
circuito, utiliza-se o espaço vazio da placa como ground, conforme mostrado na Figura
5-4 Isto é interessante porque reduz a resistência de terra e também diminui a quantidade
de cobre a ser corroída da placa.
Figura 5-4 – Projeto da placa de circuito com nó GND.
Este projeto é exportado, em preto e branco, para uma figura com apenas as trilhas
da camada bottom e os pontos de solda dos componentes. O resultado está na Figura 5-5.
59
Figura 5-5 – Imagem com trilhas para método fotográfico.
Figura 5-6 – Disposição dos componentes na placa.
A Figura 5-6 contém apenas os contornos e pinos dos componentes da placa. Esta
imagem serve para guiar o correto posicionamento e soldagem dos componentes na placa.
Como a corrente vinda de Vin é alta, não foram feitas trilhas para sua passagem. Por isso,
os pinos 1 de Q4 e Q5 não estão ligados a nada. Esta ligação é feita por fios e não está
representada na Figura 5-5. No entanto, é possível observar esta ligação na placa real,
pelo fio verde na Figura 5-13.
5.3.3 – Construção
A Figura 5-5 é, então, impressa em folha de transparência em impressora laser,
com as proporções adequadas, e em várias cópias. As diversas cópias servem para que se
60
possa cortá-las e colocá-las uma em cima da outra, para garantir que a parte preta não
tenha nenhuma transparência, e a luz não passe por ali, corroendo onde não deveria. O
resultado está na Figura 5-7.
Figura 5-7 – Folha de transparência com layout das trilhas.
Com as transparências prontas, é preciso preparar a placa. Como não foi
encontrada placa com tamanho adequado, foi comprada uma maior que foi cortada.
Primeiro, marcou-se o verso da placa com régua e lápis nas medidas máximas da região
transparente, com aproximadamente 1 mm de folga. Depois, a placa foi devidamente
presa com um sargento em uma base de madeira e cortada com serra de mão. A placa fica
com a face com cobre para baixo, para facilitar o corte. Utilizou-se jornal em volta, para
evitar espalhar sujeira e causar danos à placa. Então, as bordas foram lixadas para remover
61
rebarbas, e a região condutora foi escovada com lã de aço para remover impurezas e
oxidação.
Depois de limpa, é espalhada na placa a tinta foto sensível com um palito de picolé
até que toda a superfície fique coberta de tinta. Para garantir a que a camada de tinta seja
fina e uniforme, a placa é presa em um disco, que é preso em uma furadeira. Ligando a
furadeira dentro, o excesso de tinta é expelido para os lados. Este procedimento foi feito
com a furadeira dentro de uma caixa de papelão, para evitar sujeiras. O resultado está na
Figura 5-8.
Figura 5-8 – Foto da placa com uma camada uniforme de tinta fotossensível.
A tinta deve estar bem seca antes de ser exposta, pois ela estará diretamente em
contato com a folha transparente, e é importante que a tinta não cole na folha. Para secála utiliza-se um secador de cabelos para acelerar o processo. Depois que a tinta está opaca,
e não gruda em papel toalha, ela está pronta para a revelação.
A placa é colocada em uma caixa fechada com as folhas de transparência
devidamente alinhadas e uma placa de vidro em cima. A placa de vidro serve para garantir
que as folhas não saiam do lugar e que não tenham curvaturas, que poderia deixar a
exposição errada.
62
Depois de exposta por exatamente três minutos à luz ultravioleta, a placa é imersa
em uma solução reveladora, de água com barrilha leve (carbonato de sódio). A solução
remove apenas a tinta das regiões que não receberam radiação. Para ajudar com a
remoção, é utilizado com suavidade um pincel na placa ainda imersa. Este procedimento
breve dura aproximadamente 5 minutos. É importante que a placa seja lavada
manualmente com detergente após a revelação, pois a solução de barrilha deixa a placa
com um aspecto gorduroso, que atrapalha na reação do ácido com o cobre. Após remover
todo o detergente e secar, é preciso novamente escovar suavemente a placa com lã de aço,
para garantir a remoção do aspecto gorduroso. Por fim, fica conforme a foto da Figura 5-9.
Figura 5-9 – Placa com tinta após imersão em solução reveladora.
63
Agora é necessário remover o cobre das regiões sem tinta. Para isto a placa é
colocada em percloreto de ferro, com a face de cobre virada para baixo, para que o cobre
corroído possa decantar para o fundo do pote e o corrosivo continue agindo na placa. É
importante utilizar luvas durante esta etapa, para evitar contato da pele com o corrosivo.
Não é preciso utilizar muito volume de solução corrosiva a ponto de a placa ficar imersa.
Pode-se utilizar um palito para mover a placa no ácido, para ajudar na remoção do
material. Conforme o cobre é corroído é possível observar que as regiões sem tinta ficam
rosadas. É necessário esperar até que todo o cobre exposto seja corroído e a placa fique
com a mesma cor bege do verso. Caso a corrosão demore mais que cinco minutos para
começar, ou apareçam bolhas não corroídas, é preciso repetir o procedimento de lavar a
placa e escová-la com lã de aço. Todo o processo de corrosão ocorre em aproximadamente
20 min. Após lavar e secar, a placa fica conforme Figura 5-10.
Figura 5-10 – Placa com tinta após corrosão em percloreto de ferro.
64
A próxima etapa é remover o resto de tinta das regiões com cobre. Para isto,
utiliza-se novamente a solução reveladora com barrilha leve, mas desta vez em uma
panela com água fervendo. É normal que a solução aquecida fique com espuma azulada.
Para evitar queimaduras na placa é importante movê-la dentro da panela com um pincel,
passando na tinta para também ajudar a removê-la. Após ser lavada e seca é importante
limpá-la com lã de aço para garantir que toda a tinta saia, e para limpar o cobre, o que
facilita a soldagem. Depois, é preciso furar a placa com furador próprio para circuitos
impressos, para introduzir os componentes. Após esta etapa, a placa fica como na
Figura 5-11.
Figura 5-11 – Placa corroída e furada.
Com os furos prontos é possível introduzir os componentes do lado sem cobre da
placa, deixando as pernas para o lado com as trilhas. Cuidadosamente, cada componente
é soldado e tem suas pernas excedentes cortadas. É importante que se utilize uma estação
65
de solda ajustada para 300 ºC, para evitar queimar componentes, pois ferros de solda
comuns esquentam exageradamente. É utilizada um soquete para circuitos integrados de
16 pinos, para garantir que o SG3524 não seja aquecido além de seu limite.
Por fim, é aplicada uma camada de verniz própria para circuitos impressos, para
evitar oxidação no cobre e nas soldas. O resultado final está nas Figura 5-12 e Figura 5-13.
Figura 5-12 – Visão superior da placa com componentes.
Figura 5-13 – Visão inferior da placa com componentes.
Notar que as conexões das trilhas da camada top, presentes em vermelho na
Figura 5-4, foram feitas com jumpers de fio, presentes na Figura 5-13. Além disso, os
66
IRF9530N possuíam dissipadores de calor, que não aparecem na Figura 5-12. Este
circuito é testado no Capítulo 6.
5.4 – BOM
Do inglês, o Bill Of Material lista que resume todos os materiais e processos
utilizados para construir um produto. É um documento de grande importância na
indústria, pois demonstra o custo total do produto, descrevendo detalhadamente tudo que
foi necessário comprar e tudo que foi necessário montar para conseguir o produto final.
Com isto, é possível ter um controle fino do custo final, em função de cada parte ou
processo envolvido. É um dos documentos que as equipes devem enviar aos juízes da
competição, que o utilizarão como uma das formas de avaliar o desempenho da equipe.
O circuito possui 10 resistências, 6 capacitores, 15 cm de fios (contando todos os
tamanhos), 2 circuitos integrados, 2 conectores, montados em uma placa de
aproximadamente 10x6cm, tendo um custo de peças de R$ 49,19.
O Apêndice A contém o documento completo.
67
Capítulo 6 – Validação
Para ter certeza de que o regulador funciona satisfatoriamente, alguns testes são
feitos com a placa descrita no Capítulo 5. Como o parâmetro fundamental de
funcionamento é a tensão média na saída se conservar no valor ajustado, independente de
variações de alimentação de entrada ou de carga na saída, os testes aqui apresentados
visam sempre expor o circuito a cenários diversos, observando-se sempre o
comportamento da tensão na saída.
Neste capítulo são descritos os testes de eficácia do regulador. Por fim, para
facilitar a visualização de sua eficácia, é apresentado, na última seção deste capítulo, um
gráfico de tensão média na saída pela corrente média na carga.
6.1 – Testes em Laboratório
Antes de testar com a corrente máxima, é necessário testar com correntes menores,
a fim de evitar acidentes e componentes queimados. Além disso, não é trivial construir
uma fonte para simular o alternador, que consiga entregar uma potência de 333 W. Então,
testes com potências mais baixas são aqui descritos. O circuito é montado conforme
Figura 6-1, sendo o osciloscópio montado conforme o voltímetro representado no
diagrama e Vin a fonte de bancada.
Figura 6-1 –Montagem do circuito para testes com fonte de bancada.
6.1.1 – Alimentação por Fonte de Bancada
O primeiro e mais simples teste consiste em alimentar o circuito com uma fonte
de bancada. As fontes disponíveis nos laboratórios do DEL são do modelo ICEL Manaus
OS-6000, capazes de entregar até 6 A em até 36 V.
68
Foram realizados dois testes: variação da alimentação e variação da carga. Em
ambos os testes, o objetivo é observar que a tensão média na carga permanece constante.
Primeiramente, o circuito é alimentado com uma tensão de 20 V e a carga é de
470 Ω. Então, observando a tensão média na saída, o potenciômetro de ajuste é variado
até que se tenha o valor desejado. Nos testes aqui realizados o ajuste é feito em 14 V.
Após o ajuste, a tensão na entrada é variada entre 0 e 36 V. Conforme esperado,
o circuito passa a funcionar quando alimentado com 8 V, tendo a saída constante e
próxima ao valor da entrada, como pode ser observado na Figura 6-2. Depois que a
entrada passa de 14 V, a saída passa a ser chaveada, com pulsos retangulares indo de 0
até a tensão da entrada, e largura variável, dependendo da tensão de entrada, tal que a
média fique em 14 V, conforme Figura 6-3. Este padrão se mantém até o limite da
alimentação, em 36 V, como na Figura 6-4. O esperado é que este seja o padrão, mesmo
em outros cenários, com correntes maiores.
Figura 6-2 – Tensão na saída, quando tensão de entrada é menor que a saída
desejada.
69
Figura 6-3 – Tensão na saída quando a entrada está em um valor pouco acima do
ajustado na saída.
Figura 6-4 – Tensão na saída quando entrada maior que o ajuste.
70
O teste com carga variável é feito de duas formas: com a fonte de bancada e com
baterias, descrita na seção seguinte. Com a fonte de bancada ajustada para 23,6 V, utilizase um resistor de fio variável, cuja resistência máxima é de 55 Ω. Com a resistência
máxima, a tensão na saída é ajustada para 14 V. Depois, diminui-se a resistência, medese seu valor, liga-se o circuito e toma-se as medidas. A tensão e a corrente de entrada são
obtidas do visor da fonte. A tensão média na saída é medida com o multímetro de bancada,
assim como a resistência de carga. Os dados estão na Tabela 2. Notar que a tensão de
entrada muda apenas na última tomada de dados, pois, como a corrente chegou ao limite
da fonte, essa se tornou uma fonte de corrente fixa e tensão variável. Importante notar
que, mesmo assim, a tensão na saída continuou regulada.
Medido no laboratório, o circuito de controle (alimentado por Vcc) consome, no
máximo, 18 mA. Este circuito inclui o SG3524, o regulador que fornece Vcc e a
polarização dos componentes associados.
71
Tabela 2 - Resumo dos dados dos testes com fonte de bancada.
Tensão
de Corrente média na Tensão média Corrente média Resistência
entrada, em V
entrada 𝐼𝑖𝑛 , em A
na saída, em V
na saída, em A
carga, em Ω
23,6
0,35
14,021
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
55
23,6
0,40
14,007
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
40,40
23,6
0,44
14,012
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
34,91
23,6
0,46
14,020
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
33,61
23,6
0,49
14,010
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
31,25
23,6
0,54
14,005
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
28,27
23,6
0,58
14,006
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
25,98
23,6
0,62
13,985
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
24,44
23,6
0,68
13,991
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
21,89
23,6
0,71
13,962
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
20,91
23,6
0,79
13,980
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
18,70
23,6
0,84
13,975
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
17,60
23,6
0,92
13,960
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
15,87
23,6
0,98
13,946
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
14,91
23,6
1,06
13,934
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
13,68
23,6
1,14
13,940
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
12,73
23,6
1,26
13,950
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
11,48
23,6
1,37
13,945
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
10,66
23,6
1,57
13,930
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
9,12
23,6
1,77
13,940
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
8,02
23,6
2,00
13,920
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
7,24
23,6
2,26
13,907
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
6,31
23,6
2,51
13,894
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
5,62
23,6
3,13
13,873
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
4,54
23,6
3,62
13,860
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
3,96
23,6
4,06
13,842
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
3,55
23,6
4,56
13,800
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
3,33
De 15 a 19
6,22
13,78
𝐼𝑖𝑛 - 0,04
2,96
72
de
6.1.2 – Alimentação por Baterias Automotivas
Utilizando duas baterias automotivas em série é possível obter uma alimentação
de 24 V, com alta capacidade de fornecer corrente. Como as baterias automotivas são
dimensionadas para dar partida em carros, são capazes de entregar correntes da ordem de
dezenas de Ampéres por tempo suficiente para testar o funcionamento do circuito. O
circuito utilizado no teste é representado na Figura 6-5.
Figura 6-5 – Circuito de testes com baterias.
As baterias B1 e B2 servem para prover altas correntes. A bateria B3 representa a
bateria do carro, e é carregada durante os testes, além de ajudar a manter a tensão na saída
mais estável. Quando B3 está conectada, através de S3, a tensão na saída varia entre o
valor máximo, igual à entrada menos a queda nas chaves, e o valor mínimo, da bateria
enquanto fornece corrente à carga. A Figura 6-6 demonstra a tensão na carga durante um
dos testes com o circuito da Figura 6-5, com todas as chaves fechadas.
Figura 6-6 – Tensão na carga durante os testes com baterias.
73
Todas as baterias são de 12 V, sendo B1 = 60 Ah e B2 = B3 = 18 Ah. Nesse
teste foi utilizada uma resistência de chuveiro como carga, modificando os pontos de
conexão para ajustar a resistência total. A cada ajuste a tensão média na saída era medida
pelo osciloscópio, representado pelo voltímetro da Figura 6-5. A corrente é medida com
o multímetro de bancada, representado pelo símbolo de amperímetro. A resistência da
carga é também medida pelo multímetro, porém separada do circuito. Os dados do teste
estão na Tabela 3.
Durante esse teste foi possível ver que o controle de corrente não funcionou
conforme esperado. Foi necessário mudar R9 para um valor menor. Mesmo assim, quanto
maior a corrente na carga, menor a capacidade de limitar a corrente. Além disso, o
controle tinha um efeito de histerese. Após cortar o funcionamento, este não retornava a
menos que Pot2 fosse reajustado.
Tabela 3 - Resumo dos dados dos testes com baterias.
Tensão média na saída, em V Corrente média na saída, em A Resistência de carga, em Ω
14,0
1,635
8,66
13,9
2,058
6,84
13,5
6,370
2,22
13,2
7,222
1,98
13,0
8,650
1,70
12,3
9,69
1,45
6.2 – Testes e Sinais Intermediários
Para diminuir a chance de erro, alguns testes intermediários são realizados.
Verificar a polarização dos transistores, alimentação dos chips e se algum está
esquentando são alguns deles. Esta seção demonstra como o circuito funciona,
detalhadamente, quando em operação normal, e é útil também para buscar e encontrar
problemas, caso o circuito não esteja funcionando corretamente.
Primeiramente, é crucial que todos os componentes estejam conectados
devidamente. Então, antes mesmo de alimentar o circuito, é importante conferir com o
diagrama completo do circuito, presente na Figura 3-19 ou na Figura 5-1, se cada
componente está ligado onde deveria, com as polaridades e pinagens corretas.
Para que o circuito funcione corretamente, o controlador PWM deve estar
alimentado com uma tensão entre 8 V e 40 V. Como existe um circuito para alimenta-lo,
74
é importante verificar se a tensão de entrada deste regulador está, pelo menos, acima de
12 V, e se a saída está igual a 11,3 V. Quando a alimentação é maior que 8 V e menor
que 11,3 V, o circuito funciona, porém de forma incorreta. A tensão é mal regulada, e o
controlador PWM opera em uma frequência diferente daquela especificada. É importante
também verificar se há diferença de tensão entre os diversos pontos de referência (terra).
Uma vez alimentado corretamente, é preciso verificar se o oscilador interno do
controlador PWM funciona conforme o esperado. No pino 7 CT, deve existir uma onda
dente de serra, com amplitude entre 0 e 3,5 V, com a frequência projetada de 30 kHz,
similar à Figura 4-4. Já no pino 3 OSCOUT, devem existir pulsos com largura de
aproximadamente 2μs, com a mesma frequência da tensão dente de serra, conforme
Figura 4-2.
As tensões em IN+ e IN- (pinos 1 e 2) devem sempre ser iguais a 2,5 V. Os pinos
4 e 5, CURRLIM+ e CURRLIM-, devem estar aterrados, assim como o pino 8 GND. O
pino 9 deve ter a forma de onda similar à da Figura 6-7, enquanto a tensão no nó entre o
capacitor e a resistência ligados à porta COMP deve ser como a Figura 6-8.
Figura 6-7 – Tensão no pino 9, COMP.
75
Figura 6-8 – Tensão no nó entre C3 e R4.
Nos emissores do estágio de saída do SG3524 (pinos 11 e 13) devem existir pulsos
retangulares, com largura variável e pico a pico constante de 0 a Vcc, como na Figura 6-9.
Na entrada do estágio seguinte, na base de Q1, a tensão tem a forma retangular similar ao
estágio anterior, porém com amplitude reduzida a aproximadamente 0,6 V, pois a junção
base-emissor funciona como um diodo, e o emissor está ligado à referência.
Figura 6-9 – Tensão no estágio de saída do SG3524, pino 11.
76
Já no último estágio, gate dos IRF9530N, a forma de onda é como na Figura 3-11.
A tensão na saída pode variar entre a Figura 6-2, a Figura 6-3 e a Figura 6-4, dependendo
da tensão de entrada e do ajuste de tensão desejada na saída.
6.3 – Curva Tensão x Corrente
Como nas simulações o resultado é um gráfico ao longo do tempo, enquanto no
circuito real o resultado é instantâneo, as comparações entre simulações e testes reais têm
que ser feitas com valores absolutos, em ajustes discretos dos parâmetros. No geral, é
possível ver que o circuito regula satisfatoriamente a tensão de saída em ambos os casos,
tendo as mesmas tensões médias em cada nó.
Com os dados dos testes das Tabelas 1, 2 e 3 é feito o gráfico Corrente x Tensão,
presente na Figura 6-10. É importante notar que os ajustes de Pot1 na simulação e nos
testes reais foram diferentes. O importante, no entanto, é notar o quanto o circuito é capaz
de manter a tensão ajustada com o aumento da corrente.
Figura 6-10 – Curvas Tensão x Corrente da simulação e do teste com baterias.
É possível observar pelas tabelas e pelo gráfico, que a simulação previa um
circuito que não alterava sua capacidade de regular a tensão de saída com correntes
menores que o limite de 30 A. Já o circuito real sofreu quedas da ordem de 10% com
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correntes próximas de 10 A. Conforme esperado, as curvas são diferentes, pois há efeitos
reais que não foram modelados na simulação, como limitações e não linearidades de cada
componente. Por exemplo, ainda que o simulador suporte modelar variações dos
parâmetros dos componentes com variações de temperatura, este recurso não foi
utilizado. Foi possível notar nos testes reais que o regulador perdia capacidade de regular
conforme a temperatura nas chaves aumentava. Testes com chaves frias davam resultados
diferentes dos presentes na Tabela 3. Este problema é resolvido aumentando os
dissipadores de calor das chaves, ou diminuindo a frequência de chaveamento do circuito.
Como a frequência de chaveamento está próxima da faixa audível, não é desejável reduzila, então os dissipadores de calor devem ser aumentados.
Outro detalhe visível nas curvas é que os testes reais foram feitos até correntes
próximas de 10 A por limitações dos equipamentos utilizados, como a resistência de carga
e dissipação de calor nos componentes, principalmente nas chaves.
78
Capítulo 7 – Conclusões
Revisando os objetivos da Seção 1.4, percebe-se que:
O objetivo (1) de realizar pesquisas de mercado e benchmarks foi parcialmente
cumprido, pois foram encontrados alguns circuitos reguladores automotivos pela internet.
No entanto é interessante para os fabricantes que seus projetos não sejam divulgados, para
não perderem vantagens de mercado. Então, não foi possível encontrar relatos precisos e
detalhados sobre circuitos reais, apenas suposições e comentários superficiais sobre os
circuitos comerciais. Também não foi possível observar os circuitos reais em
componentes físicos, pois estes ficam imersos em materiais que destroem os circuitos
quando abertos. Da pesquisa, foi possível apenas entender o princípio de funcionamento
dos reguladores automotivos, que controlam a corrente de campo, e dos reguladores de
motocicletas, que utilizam tiristores para desconectarem ou desativarem as fases do
retificador.
O objetivo (2) de prototipar o projeto e testá-lo foi cumprido, porém não de forma
extensa e completa. Para tanto, seria necessário testar o circuito com correntes maiores e
testá-lo com o motor da equipe em funcionamento, ou mesmo em outro motor de moto.
O objetivo (3) de comparar o desempenho do circuito do projeto com circuitos
reais não foi cumprido, pois para tanto seria necessário realizar os testes do Capítulo 6
com os reguladores comerciais, o que não foi feito por falta de disponibilidade de
reguladores para testes. No entanto, com os resultados do Capítulo 6 é possível ver que o
regulador se comporta de forma semelhante ao esperado dos reguladores comerciais.
Finalmente, o objetivo (4) foi cumprido, com o circuito descrito no Capítulo 5,
incluindo a documentação do método de fabricação, e do BOM, presente no Apêndice A,
que são importantes para que a placa de circuito seja replicável. Além disso, com os
detalhes descritos nos Capítulos 3, 5 e 6 é possível localizar potenciais causas de
problemas e realizar ajustes no projeto de forma rápida e precisa.
Como trabalhos futuros, seria interessante refazer os testes do Capítulo 6,
medindo a temperatura nas chaves, e refazer as simulações levando variações de
temperatura em consideração. Além disso, as chaves precisavam de dissipadores de calor
melhores, e era necessário organizar melhor os equipamentos, principalmente a
resistência de chuveiro, para que fosse possível testar com potências mais altas. Foi
possível observar uma leve diferença de temperatura entre os IRF9530. Isso se deve ao
fato de que os componentes não possuem exatamente a mesma tensão de limiar V th e,
79
assim sendo, conduzem correntes diferentes para tensões de porta iguais. Então, a
suposição de que não era necessário equalizar as correntes estava errada.
O controle de corrente para a potência máxima demanda o uso de componentes
rebuscados, como o ACS712, mas utilizá-lo dobraria o orçamento do projeto com peças.
Recomenda-se aprofundar os estudos em controle de corrente, para encontrar uma
solução menos custosa. Ou, no caso de produção em série, encontrar outro medidor de
corrente por um preço menor. Ainda visando à diminuição das medidas e dos custos do
circuito final, seria interessante considerar outros controladores PWM.
Também seria interessante refazer as simulações com modelos mais precisos de
carga, incluindo modelo de bateria e cargas não lineares com efeitos indutivos e
capacitivos. Utilizando resistências de fio, em testes sem bateria, já foi possível observar
variações na forma de onda da tensão de saída, com picos negativos de tensão, devido à
indutância das cargas testadas. Já nos testes com bateria, as formas de onda não foram
retangulares, conforme esperado, como pode ser visto na Figura 6-6. Uma possível
solução seria utilizar um circuito de Snubber em paralelo.
Quanto às proteções, nesse trabalho é feita apenas uma abordagem breve, sem o
compromisso ou garantia de testar ou prever todos os possíveis problemas. Assim, não
foram realizados testes de variação de parâmetros em temperaturas extremas, testes de
emissão e captação de interferência eletromagnética, além de testes de resistência do
circuito a vibrações mecânicas e impactos físicos. Adicionalmente, seria interessante
deixar o circuito funcionando por períodos de tempo maiores, da ordem de horas, para
comprovar sua real robustez. Testes como esses são essenciais em um projeto que visa
fabricação em escala industrial.
Para ter certeza que o regulador sempre trabalhará em condições confortáveis,
seria interessante realizar, além das simulações, testes reais com correntes maiores que a
especificada.
Em um projeto real, feito para um veículo que tenha seus parâmetros fixos, é
interessante eliminar os potenciômetros. Por mais que eles sejam importantes para fazer
ajustes, eles aumentam as dimensões e encarecem o projeto, além de deixar o circuito
menos confiável, pois é possível que algum ajuste não proposital aconteça. Seria
necessário substituí-los por resistores de valores precisos, para manter o ajuste o mais
próximo possível do ideal, ou utilizar trimpots, que são menores e também podem ser
ajustados para compensar as pequenas diferenças de cada placa de circuito, tendo seu
valor fixado após os ajustes, padronizando o resultado. Outra mudança importante, que
80
reduziria a complexidade da montagem do circuito seria utilizar um CI regulador de
tensão como o LM7812 para a alimentação separada do controlador PWM, ao invés de
utilizar componentes discretos.
7.1 – Monitoramento e Manutenção
Na aplicação visada por este projeto, é desejável que o regulador ofereça também
algum tipo de proteção contra curto-circuito e sobrecarga, por exemplo. Além disso, é
desejável que existam mecanismos de aviso, para que os engenheiros envolvidos no
projeto possam acompanhar o funcionamento do regulador.
7.1.1 – Cenários Adversos
Para que o circuito seja robusto, é importante que ele esteja preparado para passar
por situações e condições diversas. Exemplos de situações potencialmente problemáticas
incluem:

Circuito com a bateria desconectada ou danificada;

Curto-circuitos;

Temperaturas muito elevadas ou muito baixas, além de variações bruscas;

Vibrações.
Como se trata de um protótipo, e não de um produto comercial, não será possível
realizar testes completos em todos estes cenários previstos.
Em circuitos chaveados as chaves são implementadas com transistores. Isto
introduz uma preocupação a mais no projeto, pois transistores queimam mais rapidamente
que fusíveis. Mesmo fusíveis que queimem mais rapidamente não conseguem resolver
este problema, além de oferecerem o perigo de se romperem com picos de corrente,
comuns mesmo em condições normais de funcionamento.
Uma situação conhecida em que ocorrem picos de corrente é durante a partida,
quando o motor de arranque é ligado. Na média, o motor de arranque drena algumas
dezenas de Ampéres, com pico inicial podendo chegar a 300 A. No entanto, estas
correntes são drenadas da bateria e não do alternador (através do retificador e do
regulador), e é com base nisso que as baterias são dimensionadas: conseguir dar partida
no motor. De toda forma, existe o circuito limitador de corrente, descrito na Seção 3.2.6,
que impedirá o regulador de entregar mais do que a corrente máxima.
Uma possível preocupação é com a excitação do circuito a partir da saída. Essa
situação poderia ocorrer antes e durante a partida, em que o motor está parado ou girando
81
lentamente, e a tensão na entrada do regulador é menor que a de saída, que está conectada
à bateria. Novamente, a própria topologia do circuito o protege de problemas com isso,
pois a alimentação do controle do regulador é feita pela entrada, não pela saída. Ou seja,
se a tensão de entrada for menor que 12 V, o circuito estará desligado e não há perigo.
Durante a partida a tensão de entrada do regulador crescerá até ultrapassar a tensão da
bateria, mas isso continua não oferecendo perigo, pois durante a partida a tensão da
bateria cai para valores menores que o necessário para ligar o circuito. Ou seja, quando o
regulador começar a funcionar, a tensão da bateria já será menor que a da entrada, e ele
funcionará conforme o esperado.
Outro problema pode ser a saída do alternador. Como este é composto por imã
permanente, pode ser que em altas rotações a tensão de entrada do regulador seja
demasiadamente grande.
Tratando-se de um veículo pequeno e de alto desempenho, é importante tomar
cuidado com temperaturas elevadas. Por mais que se deva colocar o regulador afastado
de fontes de calor, é interessante que o regulador seja pouco sensível a mudanças de
temperatura, além de ser capaz de dissipar bem suas perdas.
7.1.2 – Avisos
Como o regulador estará ligado diretamente à bateria, é possível implementar
indicadores da carga na mesma. Caso a tensão na entrada do regulador esteja próxima
demais da desejada na saída, deve existir um aviso, que indica que o circuito está
demandando mais potência do que o alternador é capaz de prover. Outros indicadores
interessantes são tensão vinda do alternador, corrente drenada pelo circuito e temperatura
das chaves (transistores).
Como existe um sistema de telemetria, é interessante que este tenha acesso a essas
informações. Uma forma de implementar isso é simplesmente disponibilizar um conector,
em que cada porta esteja ligada aos nós mais importantes. Assim, para realizar a leitura,
basta um voltímetro de algum dos pontos para a referência. A corrente drenada pelo
circuito é dada como tensão pelo ACS712.
7.2 – Testes no Carro da Equipe Ícarus
Este teste define se o circuito funciona para o propósito que foi proposto. Para
testar se a tensão na saída é constante, independente da tensão de entrada, o regulador é
conectado entre o retificador e a bateria. Com esta configuração, medem-se as tensões na
82
bateria e na saída do retificador, ou seja, nos terminais de saída e de entrada do regulador,
respectivamente. Com isto, acelera-se o motor, tal que sua RPM varie. O resultado
esperado é que a tensão após o retificador varie, enquanto a tensão na bateria permaneça
constante. Além desses testes, o carro deveria funcionar no geral tão bem quanto antes.
Esses testes não foram realizados, pois o motor não estava funcionando e à
disposição quando o regulador ficou pronto.
83
Bibliografia
[1] Informações sobre a competição Formula SAE Brasil, no site oficial do evento,
disponível em: http://portal.saebrasil.org.br/programas-estudantis/formula-saebrasil (acessado em 28 de janeiro de 2016).
[2] Página oficial da equipe Ícarus UFRJ de Formula SAE no Facebook.
https://www.facebook.com/Icarus.ufrj/ (acessado em 21 de Junho de 2016)
[3] Manual do proprietário da Honda CB 600F Hornet, disponível em:
https://www.honda.com.br/sites/default/files/201608/CB%20600%20Hornet%202008.pdf (acessado em 15 de agosto de 2016)
[4] CHAPMAN, S.J. “Electric Machinery Fundamentals”, McGraw-Hill, 2ª ed., 1991
[5] KRISHNA, Vedala, “3-phase AC input, half- and full-wave rectified DC output
waveforms”, disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/Rectifier (acessado em
21 de janeiro de 2016).
[6] VISINTINI, Roberto,”Rectifiers”. CAS - CERN Accelerator School and CLRC
Daresbury Laboratory : Specialised CAS Course on Power Converters, Seção
3.3.2. Disponível em: https://cds.cern.ch/record/987551 (acessado em 21 de janeiro
de 2016).
[7] Datasheet do SG3524, disponível em http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sg2524.pdf,
(acessado em 15 de janeiro de 2016).
84
Apêndice A - BOM
Do inglês, o Bil Of Materials lista todos os itens, ferramentas e processos
envolvidos na fabricação de um componente. Esse apêndice é dividido em duas partes:
itens utilizados durante os restes em protoboard em laboratório e itens utilizados na
fabricação da placa de circuito final. Esta divisão é importante para a precificação do
projeto pois, supondo uma produção em larga escala de reguladores iguais ao projetado
neste trabalho, a primeira fase de testes deve ter seus custos diluídos por todos os
reguladores, enquanto os materiais utilizados em cada regulador devem ser adicionados
ao preço de cada regulador. Alguns itens foram precificados, para estimar o valor da placa
de circuito em pelo menos R$39,19, pois alguns valores não foram estimados. Os preços
foram obtidos do site www.soldafria.com.br em 11/09/2016.
Itens utilizados durante os testes:

Do laboratório do DEL

Protoboard
o Osciloscópio

Fios aproveitados de cabo de rede
o Gerador de funções
o Fonte
o Aproximadamente 30 cm

Ferramentas
o Multímetro
o Ferro de solda
o Alicate de corte
o Chave phillips
o Armário
o Alicate de corte
Materiais utilizados na confecção da placa do circuito final:

Materiais
o Tinta foto sensível (aproximadamente 5 g)
o Barrilha leve (uma colher de sobremesa)
o Percloreto de ferro (aproximadamente 200 ml)
o Verniz para placa de circuito (aproximadamente 10 ml) R$15,00

Ferramentas
o Sargento
o Serra
o Furadeira
o Lâmpada UV
o Potes de plástico
o Furador de placa de circuito
o Luvas
R$35,41
85
Componentes presentes no circuito final:
Componente
Nome
Tipo
Valor
Preço
Rt
1/8W 5%
1,2 kΩ
R$
0,40
R1
1/8W 5%
10 kΩ
R$
0,40
R2
1/8W 5%
5,7 k
R$
0,40
R3
1/8W 5%
5,7 k
R$
0,40
R4
1/8W 5%
27 k
R$
0,40
R5
1/8W 5%
2,7 kΩ
R$
0,40
R6
1/8W 5%
10 kΩ
R$ 0,40
R7
1/8W 5%
2,7 kΩ
R$
0,40
R8
1/8W 5%
33 kΩ
R$
0,40
R9
1/8W 5%
12 kΩ
R$
0,40
Ct
Poliéster
27 kpF
R$
0,15
C1
Poliéster
680 kpF
R$
0,90
C2
Cerâmico
100 kpF
R$
0,11
C3
Poliéster
10 nF
R$
0,17
C4
Cerâmico
390 pF
R$
0,10
C5
Eletrolítico
10 uF
R$
0,18
Q1
BJT
BC546
R$
0,17
Q2
BJT
BD139
R$ 0,55
Q3
BJT
BD557
R$
0,10
Q4
MOSFET
IRF9530N
R$
2,18
Q5
MOSFET
IRF9530N
R$
2,18
IC1
SG3524
R$
2,25
S/N
ACS712
R$ 21,71
Resistência
Capacitor
Transistor
Circuitos integrados
Diodo Zener
D1
12V
1N759
R$
0,16
Pot1
Mini
5 kΩ
R$
0,99
Potenciômetro
86
5 kΩ
Pot2
Mini
Conector
X1
Barra de pinos
Placa de circuito
S/N
Solda
R$
0,99
R$
0,45
10x6 cm
R$
1,85
Total
R$ 39,19
Estanho
Dissipador de calor
87