CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

UNIVERSIDADE DE MOGI DAS CRUZES - ENGENHARIA ELÉTRICA
Prof. José Roberto Marques
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Exp. 2
FONTE CHAVEADA PWM ABAIXADORA (BUCK)
Objetivo:
O objetivo desta experiência é demonstrar a operação de alguns componentes básicos de
um sistema de controle de tensão de um conversor CC-CC. O princípio básico é o de uma
fonte chaveada do tipo Buck com controle da tensão CC de saída através de um controlador
PWM e com um sistema de proteção contra sobre corrente.
Entre os elementos que fazem parte do aprendizado podemos destacar:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
A especificação de uma fonte CC não controlada para alta tensão (≈150V)
A utilização de transistores bipolares em alta tensão.
A utilização de um FET de potência.
A utilização de um CI de controle PWM.
A utilização de um controlador proporcional integral no controle da tensão.
A utilização de um sistema de desligamento em caso de sobre correntes.
BUS CC (155V )
C on tro al do r
PI
+
-
M odu al do r
PW M
A ut ado r
de P o êt n c ai
FET
L
R1
V re f= 5V
+
C
V
L
P ro et ção
V
2
R3
R4
C a rga
R2
R p = 0 1,
Figura 1
O diagrama de blocos da fonte é mostrado na figura 1 e é composto de uma controlador
PWM (coração do sistema) que recebe o sinal de erro através de um controlador PI e ajusta
a tensão média do PWM de modo a obter 5V (que é o valor de referência de tensão) sobre
o resistor R2. O circuito opera de forma a manter esta tensão constante e reage para forçar
esta condição toda vez que ocorre uma variação de tensão na carga, que pode ser
1
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decorrente de variações da carga (regulação da carga) ou de variações da tensão de entrada
(regulação da fonte).
Operação do circuito:
1. A tensão gerada na saída da fonte.
A tensão média na carga é definida pelo tempo TON do FET, que por sua vez é controlado
pelo modulador PWM.
A tensão CC de saída, na carga, é dada pela relação:
Ton
TON
  *155
T
0
com 0    1
onde α é o ciclo de serviço do recortador. Isso é mostrado na figura2:
VCCsaída 
1
T
 155dt  155 *
V
T
V PW M
V ccsa dí a
T on
t
T o ff
Figura 2
2. O sinal de realimentação da fonte.
O controle do período Ton do PWM é realizado pela realimentação negativa da tensão de
saída alimentando um comparador (somador) que gera um sinal de erro para um
controlador PWM.
A relação entre a tensão de saída e e a tensão de referência de 5V é dada pela expressão:
R R
VCCsaida  1 2 5
R2
Vamos admitir que o resistor R1 seja de 1kΩ, então, se a tensão de alimentação da entrada
for 110V, o que gera um barramento CC de aproximadamente 2 *110  155V ,para
obtermos 100V na saída teremos que utilizar um resistor R1 de:
V
* R2  5 * R2 100 *1000  5 *1000
R1  CCsaida

 19k
5
5
com capacidade de dissipar 0,5W. Caso você ache que é muita potência para controlar o
circuito, aumente a resistência R2 para, por exemplo 3,3k, com isso a resistência R1 deverá
ter:
2
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VCCsaida * R2  5 * R2 100 * 3300  5 * 3300

 62k
5
5
e deve dissipar 0,138W < ¼ W.
R1 
3. O controle de erro da fonte.
O sinal de erro é aplicado a um controlador PI conforme mostra a figura 4 resultando em
uma saída do tipo:
 R 

R 
1
1 
V2 ( s)  F 1 
5
V0 ( s)  1  F 1 
RI  sCF ( RI  RF ) 
RI  sCF RF 

Se admitirmos RF >> RI podemos simplificar a expressão acima para:
R 
R 
R 
1 
1 
1 
V2 ( s)  F 1 
5  F 1 
V2 ( s)  5
V0 ( s)  F 1 
RI  sCF RF 
RI  sCF RF 
RI  sCF RF 
Note que  (s)  V2 (s)  5 é o erro de tensão, já que a referência de tensão é 5V.
Podemos modificar a expressão acima de modo que ela tenha a forma:
V0 ( s) 
RF
RI
 sCF RF  1 
s  kI
1  s

 ( s)  k p
 ( s)  k p
 ( s)
s
s
 sCF RF 
onde:
RF
RI
1
kI  
kp 
Ganho da parte proporcional do controlador PI
1
Ganho da parte Integral do controlador PI
 RF C F
Erro trabalhado pelo controlador PI
 (s)  V2 (s)  5
A figura 3 mostra o controlador PI
R
V
2
I
+
V
R
5V
I
0
-
+
RF
CF
1M
Figura 3 Controlador PI da fonte.
4. A sintonização da fonte.
Vamos admitir que a tensão PWM gerada pela fonte seja proporcional a tensão na saída do
controlador PWM, ou seja:
3
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VPWM  k PWM *Vo
e que a dinâmica da carga possa ser modlada pela seguinte equação abaixo, onde o
elemento dominante é o indutor em série com a carga e para efeito dessa análise
consideramos o capacitor apenas com um elemento armazenador de carga com nenhum
efeito sobre a componente de PWM.:
RL
RL
VL ( s ) 
VPWM ( s)  k PWM *
Vo ( s)
RL  sL
RL  sL
Da expressão do controlador PI temos:
RL
RL
RL
s  kI
VL ( s ) 
VPWM ( s)  k PWM *
Vo ( s)  k PWM *
kp
 ( s)
RL  sL
RL  sL
RL  sL
s
Podemos aumentar a banda passante do sistema, e com isso o desempenho do mesmo,
R
1
 L,
cancelando o pólo introduzido pelo filtro da carga, ou seja, fazendo k i 
RF C F
L
teremos:
VL ( s)  k p * k PWM *
RL
L
k p * k PWM * RL / L
s  kI
 ( s) 
 ( s)
s
s
RL
s
L
O que garante erro de regime zero na banda de operação da fonte.
4. A proteção do elemento de potência contra sobrecorrentes transitórias.
A proteção da fonte funciona na base ON-OFF, ou seja, se for detectada uma condição de
sobrecorrente, o modulador de PWM suspende a excitação do elemento de potência.
Utilizamos um resistor de 0,1Ω como elemento sensor de corrente ligado a um comparador
na forma mostrada na figura 4. A tensão de comparação do limite de sobrecorrente é obtida
da relação:
R4
Vlim_ SC 
5
R3  R4
A tensão na entrada do comparador é dada por:
V  0,1* I L  Vlim_ SC
Se V  0  Vcomp  0 O PWM fica habilitado.
Se V  0  Vcomp  0 O PWM fica desligado.
Se Vcomp > 0 o comparador desliga o modulador PWM. Assim, para a operação normal da
fonte, é necessário que:
Vlim_ SC
ou I L  10 *Vlim_ SC
IL 
0,1
Vamos admitir que R4 = 4,7kΩ e R3 = 150Ω, então:
4
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I L  10 *
150
* 5  I L  1,54 A
4700  150
R3
5V
-
+
V
V com p
R4
+
IL
IL
0 1,
Rp
Figura 4 – Proteção contra sobrecorrentes
4. O atuador de potência
Nosso atuador, ou dispositivo de controle de potência é um FET potência de canal P
(IRF9630) com ID. = 6 A, VDSmax = 200V e RDS < 0,8Ω (typ = 0,55Ω).
Em geral, os CIs de acionamento não são construídos para operar em altas tensões, e o CI
de controle, que vamos utilizar, o TL494 é especificado para apenas 40V, assim temos que
adaptá-lo para operar com um barramento de aproximadamente 155V. Para criar uma
interface de tensão entre o elemento de controle e o atuador de potência, utilizamos um
transistor PNP de baixa potência e alta tensão (2N3440) que opera com tensão VCEmax =
250V, IC Max = 1 A, 5W, hfemin = 25. A interface é mostrada na figura 5.
+ 155V
S
RI F 9630
R5
G
L
D
R6
T L494
C
R7
C a rga
2N 3440
R8
R p = 0 ,1
Figura 5
Considerando A tensão de acionamento do FET VGS = 15V e admitindo uma corrente de
coletor de 10mA para o transistor 2N3440, teremos:
15
R5 
 1500
10.10 3
5
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A potência deste resistor deverá ser:
PR 5 
15 2
 0,15W  1 / 4W
1500
Para o resistor R6 teremos:
R6 
155  15
 14k
10.10 3
com potência:
(155  15) 2
 1,4W
14000
Note que os cálculo realizados acima são conservadores, uma vez que no regime de
chaveamento as potências serão proporcionais ao quadrado do ciclo de serviço, ou seja:
VRx 2
2
PRx 
 I Rx  Rx
Rx
Nos casos acima   1 que é o valor máximo do ciclo de serviço.
Admitindo que o CI opere com VCC = 40V, temos:
V  2VBE
40  2 * 0,7
R7  CC
 R7  25
 R7  96500
IC
10.10 3
h fe min
PR 6 
Usando um fator de segurança 2 dimensionamos R7 = 47kΩ.
O resistor R8 tem a função de fixar o potencial do CI em zero nas condições em que o
mesmo flutua, assim seu valor não tem outro elemento de criticalidade senão o efeito do
consumo de energia. Com isso fixamos o valor do mesmo no mesmo valor de R7.
R8  R7  47k
5. A alimentação do CI de controle.
Não queremos montar um fonte de alimentação a parte para o CI de PWM assim teremos
que alimentá-lo a partir da tensão de 155V. Isso é feito utilizando o circuito da figura 6.
+ 155V
R9
V cc
V z= 30V
T L494
2N 3440
330
Admitindo uma corrente de 10mA para o CI e 5mA para o circuito de controle teremos:
6
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R9 
155  40
 5,7k
20.10 3
Com dissipação de:
(155  40) 2
PR 9 
 2,3W
5700
usaremos 5W. Os cálculos aqui realizados não são críticos.
6. Cálculo da freqüência de operação do PWM
Em geral as fonte chaveadas operam com freqüências entre 20k e 50k. Pra não operarmos
de modo muito apertado com excesso de dissipação do FET, vamos operar no limite
mínimo. f fonte  20kHz
O TL498 tem uma fórmula para cálculo de freqüência da por:
1,1
f fonte 
RC * CC
Adotado o capacitor com CC = 1,2nF, então:
1,1
RC 
 46k
3
20.10 *1,2.10 9
usaremos 47kΩ, o que resulta em uma freqüência próxima a 20kHz.
PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS:
1. Utilizando um voltímetro eletrônico meça a tensão do barramento CC da rede retificada no
ponto de medição designado como 1. O valor esperado da tensão neste ponto é  2 *110
Obs: CUIDADO PARA NÃO TOMAR CHOQUES ELÈTRICOS.
2. Com um osciloscópio de qualidade, verifique a tensão no ponto de medição 2. Quando esta
tensão está em nível alto o transistor 2N3440 está cortado o que significa que o FET de
potência também está cortado. Modifique a tensão de saída para 50V e 75V para verificar a
variação do ciclo de serviço da fonte.
3. Com o multímetro meça a tensão do ponto de teste 3 verificando a tensão do circuito de
alimentação do TL494, que deve ser próxima de 39V ou 40V.
4. Ainda com o multímetro verifique a tensão do ponto de teste 4 que deve ter 5,00V. Esta
tensão é utilizada pelo CI como referência para a realimentação de tensão de saída que ajusta
o ciclo PWM, assim como para o circuito de proteção contra sobrecorrentes.
5. Com o osciloscópio verifique a tensão dente de serra no ponto de teste 5, mude o jumper
vermelho para verificar o aumento na freqüência de PWM (ela dobra), mas após a
verificação volte com o jumper para a posição original para diminuir as perdas por
chaveamento no FET de potência.
6. Ainda utilizando o osciloscópio HP, verifique a forma de onda no catodo do diodo rápido
(ponto 6) observe que o diodo opera quando o FET de potência corta. Se você estiver
utilizando duas pontas de prova NÃO USE DE FORMA ALGUMA DOIS TERRAS para
evitar curtos circuitos indesejáveis que impedirão a continuação de seu experimento.
7. Verifique a forma de onda da tensão na carga (ponto de teste 7) verifique que o ripple é muito
pequeno em toas as tensões fornecidas pela fonte.
8. Verifique a tensão do ponto 8. Veja se ela se aproxima de 5V. Por que isto ocorre?
7
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9. Para finalizar verifique com o osciloscópio a tensão no pino 9, você deverá observar uma
tensão quadrada de 40V de pico e cujo ciclo de serviço varia para as tensões 25V, 50V e 75V.
T
Meça o valor de   on para a três condições e verifique se: Vo   25V * 155 2 *110 e para
T
as outras tensões de saída.
10. Para terminar, com a chave em 75V, obtenha a corrente que passa pela carga e calcule a
75
potência dissipada no dissipador para o caso linear: Plinear  (155  75) *
. Repita este
122
cálculo para as outras tensões.
11. A próxima página contem um diagrama esquemático do controlador Buck PWM estudado.
Veja o que você não entendeu e discuta com o professor.
8
60Hz
-
110Vef
9
A
2
1
1
F
A
1
F
Bridge1
D
?
C
0
7
2
4
3
0
0
V
u
C
2
R11
1
R10
M
R
1
R12
9
K
1
1
R
C
n
K
8
1
F
1
R13
4
K
7
k
R15
1
K
6
5
1
1
7
3
2
1
4
5
6
T
U
L
3
G
IN2+
IN2-
CMPEN
IN1-
IN1+
DTC
C
R
4
N
T
T
9
D
4
CNTLO
VREF
0,1
5
R14
V
W
C
C
C
E
E
C
2
1
2
1
1
1
9
8
1
1
1
0
1
3
4
2
3
R
3
7
0
2N3440
3
DZ1
9
V
Q
1
5
1
R
W
0
6
k
4,7k
R15
R
2N3440
4
R
1,5K
7
3
5
IRF9630
Q
K
3
Q
1
3
R
2
5
W
4
K
1N4934
Diode
D
?
10mH
Iron
Inductor
L
?
3,3k
R
6
R
2
2
1
k
1
Pol1
Cap
C
0
?
0
p
F
Imax=0,5A
V
C
C
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