CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)

CONVERSORES DC-DC (CHOPPERS)
Qualquer sistema de potência a semicondutor empregado para retificar, inverter, ou mesmo
para modular a potência de saída de uma fonte de energia DC ou AC é chamado de sistema
conversor ou sistema de condicionamento de potência. Nessa seção estamos interessados num
tipo de conversor chamado “chopper” (que pode ser traduzido por cortador, pulsador,
interruptor, etc.) que, devido ao princípio de operação, permite variar a tensão média DC
aplicada a uma dada carga sem que ocorra uma grande dissipação de potência nos elementos
chaveadores (tiristores ou transistores). O “chopper” é colocado entre a carga e a fonte DC
como mostra a Fig. 1a. Consideraremos como carga um circuito constituído de uma resistência,
uma indutância e uma fonte de tensão contínua VC .
Fig. 1 - Funcionamento de um “chopper” DC.
A forma como a tensão média é reduzida abaixo da tensão da fonte está ilustrada na Fig. 1b. A
figura mostra que o “chopper” aplica um trem de pulsos de tensão na carga 2 cuja magnitude é
a mesma da fonte. A tensão na carga VO pode ser variada de três diferentes maneiras.
1. tON pode variar enquanto o período T é mantido constante - Pulse Width Modulation (PWM).
2. tON pode ser mantido constante enquanto o período T pode ser variado - Frequency
Modulation (FM).
3. Combinação entre PWM e FM.
TIPOS DE CIRCUITOS “CHOPPERS”
Existem basicamente três tipos de “chopper”.
O tipo A que opera em apenas um quadrante do plano cartesiano cujos eixos são a tensão e a
corrente instantâneas vO e iO (as tensões e correntes, instantâneas e médias, não mudam de sinal
durante a operação).
O tipo B que tem liberdade de operar em até dois quadrantes do plano cartesiano vO e iO (as
tensões instantânea vO e média VO , não mudam de sinal, mas as correntes instantânea iO e
média IO , podem mudar de sinal).
Existe um terceiro tipo de “chopper” que pode operar em qualquer um dos quatro quadrantes
do plano e por isso é denominado de “chopper” de quatro quadrantes. Como este último
contém os dois primeiros passamos a analisar o “chopper” de quatro quadrantes.
ANÁLISE DE UM “CHOPPER” DE QUATRO QUADRANTES
A Fig. 2 mostra um conversor DC-DC à tiristores capaz de operar em qualquer um dos
.
quadrantes do plano vo X io Se Q4 está conduzindo continuamente então os nós a e b estão
em curto. Q3 não pode conduzir para não curto-circuitar a fonte o que faz com que os nós a e c
estejam em circuito aberto.
Fig. 2 - Circuito “chopper” de quatro quadrantes.
Nesse caso, tem-se um “chopper” tipo B conforme a Fig. 3. Se Q1 está conduzindo
continuamente então os nós r e p estão em curto. Q2 não pode conduzir para não curto3 circuitar
a fonte o que faz com que os nós p e q estejam em circuito aberto.
O princípio fundamental de um choper básico é ilustrado à seguir. Uma chave é
ligada em série com a fonte da tensão DC (vi) e a carga. A chave S pode ser um
transistor de potência, um SCR ou um outro tiristor. Supõe-se que os dispositivos
de chaveamento sejam ideais. As chaves ideais possuem as seguintes
carcterísticas:
1 – resistência zero quando ligadas.
2 – resistência infinita quando desligadas.
3 – podem chavear instantaneamente a partir de cada um dos dois estados.
Em condições ideais, a perda de pot6encia no chopper é zero. Portanto, a
potência de saída é igual a perda de potência de entrada.
Vo Io = Vi Ii
Onde
Vo  tensão média de saída
Vi  tensão de entrada
Io  corrente média de saída
Ii  corrente média na entrada
Suponhamos que a tensão de saída seja ajustável em uma certa faia, de zero ao
nível de entrada. Vamos operar a chave de tal modo que ela esteja ligada
(fechada) por um tempo Ton e desligada (aberta) por um tempo Toff em cada ciclo
de um período T prefixado. A forma de onda resultante da tensão de saída é um
trem de pulsos retangulares de duração Ton.
A figura anterior mostra que a tensão instantânea na carga é zero (S desligado) ou
Vi (S ligada). A tensão média (DC) na saída em um ciclo é dada por:
Onde T é o período (Ton + Toff). A frequência de chaveamento do chopper é
f = 1/T.
Se utilizarmos a idéia do ciclo de trabalho (d), que é a relação entre a largura do
pulso Ton e o período da forma de onda,
A equação anterior mostra que a tensão de saída varia, de modo linear, com o
ciclo de trabalho. A figura a seguir mostra a tensão de saída à medida que d varia
de zero a um. É, portanto, possível controlar a tensão de saída na faixa de zero a
Vi.
Se a chave for um transistor, a corrente de base controlará os períodos ligado e
desligado da chave do transistor. Se a chave for um tiristor, um pulso positivo na
porta o passará para o estado ligado, enquanto um pulso negativo o levará ao
estado desligado. Se a chave for um SCR, um circuito de comutação será
necessário para passá-lo ao estado ligado.
A forma de onda da corrente na carga é similar a figura que mostra Ton e Toff, e
seu valor médio é dado por:
O valor eficaz (RMS) da tensão de saída é:
A tensão média de saída pode ser variada por uma das seguintes maneiras:
1 – Modulação PWM – pulse-width modulation – Modulação por largura de pulso.
Nesse método, a largura do pulso Ton varia enquanto o período de chaveamento
total T é constante. A figura a seguir mostra como as formas de onda de saída
variam à medida que o ciclo de trabalho aumenta.
2 – Modulação PFM – pulse frenquency modulation – Modulação por frequência
de pulso.
Nesse método, Ton é mantido constante enquanto o período (frequência) varia.
Como será mostrada na figura a seguir, a tensão de saída reduz-se à medida que
a frequência diminui e é alta nas frequência mais altas.
Tanto para o controle por PWM, a tensão de saída é nula quando a chave S
estiver aberta e é igual à tensão de entrada quando a chave estiver fechada por
um período superior ao ciclo de chaveamento normal.
No método PFM é necessário reduzir a frequência de chaveamento do chopper
para obter uma tensão de saída mais baixa. Isso pode resultar em uma
descontinuidade nas baixas frenquências. Mais ainda, a redução na frequência
aumenta a ondulação da corrente de saída e, em consequência disso, as perdas e
o calor na carga aumentam. Por outro lado, as perdas nas componentes se
tornam muito altas nas frequências mais altas. O método PWM tem a vantagem
da baixa ondulação, o que significa componentes menores para o filtro.