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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ IFCE CAMPUS SOBRAL TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL CONVERSOR BUCK DISCIPLINA: ELETRÔNICA DE POTÊNCIA PROFESSOR: EDILSON MINEIRO SA JUNIOR ALUNOS: ADAHAN LUCAS MACHADO FONTELES CESAR AUGUSTO VICTOR GABRIEL NASCIMENTO SOUSA ISAAC GUIMARAES CAMILO PARENTE MARIA LÍVIA OLIVEIRA SOUSA SOBRAL 2022 2 LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Conversor CC/CC do tipo buck 5 Figura 2 – Formas de onda da tensão de saída com frequência de chaveamento fixa 5 Figura 3 - Modelo implementado do conversor buck 6 Figura 4 – Esquema do circuito do conversor buck 7 Figura 5 - Núcleo e Carretel do tipo E-E 8 Figura 6 - Fórmula da dimensionar o núcleo do indutor 9 Figura 7 - Números de espiras no indutor 9 Figura 8 - Modelagem do entreferro 10 Figura 9 – Distribuição do entreferro do indutor 10 Figura 10 - cálculo da bitola do 11 Figura 11 - Conversor Buck - Psim 13 Figura 12 - PCI conversor buck 14 Figura 13 - Corrosão e soldagem das trilhas 15 Figura 14 - Placa de circuito montada 15 Figura 15 - Mesa de bancada do laboratório e seus equipamentos de medição 16 Figura 16 - Forma de onda da tensão de entrada com simulador 16 Figura 17 - Forma de onda da tensão de entrada com osciloscópio 16 Figura 18 - Corrente no indutor com simulador 17 Figura 19 - Corrente no indutor com osciloscópio 17 Figura 20 - Tensão de saída com simulador. 17 Figura 21 - Tensão de saída com osciloscópio. 18 3 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Condições de operação do conversor 7 Tabela 2 – Parâmetros para o dimensionamento do conversor buck 13 4 SUMÁRIO 1.0 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 5 2.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...................................................................................... 5 3.0 PROJETO DO CONVERSOR .......................................................................................... 6 3.1 Condições de operação ...................................................................................................... 6 3.1 Esquema do Circuito ........................................................................................................ 6 3.2 Componentes .................................................................................................................... 7 3.2.1 Transistor ...................................................................................................................... 7 3.2.2 Diodo ............................................................................................................................ 7 3.2.3 Indutor .......................................................................................................................... 8 4.0 DIMENSIONAMENTO DO INDUTOR ............................................................................ 8 4.1 Dimensionamento do núcleo .............................................................................................. 8 4.2 Número de espiras do indutor ........................................................................................... 9 4.3 Modelagem do entreferro ................................................................................................ 10 4.4 Cálculo da Bitola dos Condutores .................................................................................... 11 5.0 DIMENSIONAMENTO DO CONVERSOR .................................................................... 12 6.0 METODOLOGIA .......................................................................................................... 13 7.0 MONTAGEM DO PROTÓTIPO .................................................................................... 14 8.0 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO ....................................................... 16 9.0 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 18 10.0 BLIBIOGRAFIA .......................................................................................................... 18 11.0 ANEXOS ...................................................................................................................... 19 5 1.0 INTRODUÇÃO O vigente relatório tem como objetivo a elaboração de um conversor do tipo buck, manifestando todos os processos desde a escolha dos componentes, a retirada dos mesmos em sucatas (todos em bom estado), e os cálculos, os dimensionamentos e as simulações que foram realizados em softwares de projetos eletrônicos conhecido como o mathCAD e o PSIM. Para análise de dados foram utilizados equipamentos com alto grau de confiabilidade, como osciloscópio, fonte reguladora de tensão e o multímetro, todos equipamentos utilizados do laboratório de eletrônica de potência. Quanto aos aprendizados, apoiamos nosso estudo no autor com grande conhecimento na área de Eletrônica de Potência, o AHMED, Ashfaq (2000), onde além de identificar os conhecimentos técnicos úteis para a realização desta pesquisa, foi notado a importância desta área do conhecimento em muitos setores do meio tecnológico e a importância dos conversores desde a produção de energia até o seu consumo final. 2.0 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Os conversores CC-CC do tipo buck tem como característica principal diminuir a tensão em sua saída com relação ao valor da tensão de entrada, aumentando sua corrente e mantendo a mesma potência de entrada na sua saída. Seu modelo é mostrado na figura 1, onde a tensão de entrada é representada por Vg, e a tensão aplicada na carga por v(t), mensuradas em volts. Figura 1: Conversor CC-CC do tipo buck Fonte: (ERICKSON; MAKSIMOVIC, 2004) A técnica de chaveamento usada nesses conversores é denominada PWM (pulse-width modulation –modulação por largura de pulso). Nesse método, a largura de pulso TON varia enquanto o período de chaveamento total T é constante. Figura 2: Formas de onda da tensão de saída com frequência de chaveamentofixa. Fonte: (AHMED, 2000) 6 3.0 PROJETO DO CONVERSOR O projeto do conversor foi criado através das especificações que o Professor da disciplina de Eletrônica de Potência mencionou em sala de aula. Para o projeto é necessário determinar vários quesitos como, frequência de chaveamento, faixas de tensão de entrada e saída. Também é necessário determinar quais componentes serão utilizados para chaveamento. 3.1 Condições de operação A operação de trabalho do conversor DC para DC é o indutor na resistência de entrada e tem a variação inesperada na corrente de entrada. Se a chave estiver LIGADA, o indutor alimenta a energia da entrada e armazena a energia magnética. Se o interruptor estiver fechado, ele descarrega a energia. O circuito de saída do capacitor é considerado alto o suficiente do que a constante de tempo de um circuito RC é alta no estágio de saída. A enorme constante de tempo é comparada com o período de comutação e certifique-se de que o estado estacionário é uma tensão de saída constante Vo (t) = Vo (constante) e presente no terminal de carga. Figura 3: Modelo implementado do conversor buck. Fonte: (KAZIMIERCZUK, 2008). O diagrama a seguir mostra a operação de trabalho do conversor buck. No conversor Buck, o primeiro transistor é LIGADO e o segundo transistor é DESLIGADO devido à alta frequência de onda quadrada. Se o terminal da porta do primeiro transistor for maior do que a corrente, passe pelo campo magnético, carregando C, e alimentando a carga. O D1 é o diodo Schottky e é desligado devido à tensão positiva no cátodo. O indutor L é a fonte inicial de corrente. Se o primeiro transistor estiver desligado usando a unidade de controle, então a corrente flui na operação de buck. O campo magnético do indutor é colapsado e o campo de colapso e.m.f é gerado e gira em torno da polaridade da voltagem através do indutor. A corrente flui no diodo D2, a carga e o diodo D1 serão ligados. 3.1 Esquema do Circuito A faixa de tensão de alimentação foi determinada em uma tensão máxima e uma tensão mínima sendo a máxima de 9V e a mínima 5V, sendo assim as faixas de tensão devem estar em torno desses valores. Para uma frequência de chaveamento não audível foi escolhido uma frequência no valor de 30K Hz. 7 Tabela 1: Condições de operação do conversor. Tensão de entrada: 5V a 9V Tensão de saída: 3V Frequência de chaveamento: 30K Hz Resistor de Saída 1,8 Ω Fonte: Elaboração dos autores (2022). Como foi mostrado na tabela 1 é possível projetar os valores de indutor e capacitor, o valor da indutância resultou em 222 uH e da capacitância 47uF. Figura 4:Esquema do circuito do conversor buck Fonte: Elaboração dos autores (2022). 3.2 Componentes Com os parâmetros de operação do conversor definidos, pode-se escolher os componentes para a montagem do conversor buck. São utilizados componentes passivos, semicondutores como diodo e transistor MOSFET. 3.2.1 Transistor O transistor tem como função executar o chaveamento do conversor, como frequência já estabelecida é de 30k Hz, é recomendado utilizar transistores MOSFET. Esse tipo de transistor conduz quando a tensão entre seu gate e source são maiores que sua tensão de threshold, escolheu-se o transistor IRF 540Z, sua resistência de entrada é baixa e foi reaproveitado de uma placa de circuito de um equipamento antigo. 3.2.2 Diodo O diodo atua junto com o transistor para executar o chaveamento, permitindo passagem de corrente, mostrado como chave na posição 2 mostrado na figura 1, assim isolando a carga da fonte de entrada. A energia armazenada no indutor e capacitor é dissipada pelo resistor. Também o diodo não permite passagem de corrente caso o transistor esteja conduzindo. Para 8 o projeto foi escolhido o diodo 1N5822, esse é um diodo schottky o seu tempo de recuperação reversa é bem rápido, tem uma alta eficiência e é adequado para altas frequências já que está se tratando de um conversor é excelente para ser usado no projeto. 3.2.3 Indutor Um indutor é um dispositivo elétrico passivo que armazena energia na forma de campo magnético, normalmente combinando o efeito de vários loops da corrente elétrica. DIMENSIONAMENTO E ESPECIFICAÇÕES: FIO A SER UTILIZADO: AWG_utilizado No = 23 - Fios Paralelo 2 ESCOLHA DO NÚCLEO: 4.0 DIMENSIONAMENTO DO INDUTOR 4.1 Dimensionamento do núcleo Para o desenvolvimento do conversor, optou-se por utilizar um núcleo do tipo E-E, como ilustra a Figura (5) a seguir. 9 Figura 5 - Núcleo e Carretel do tipo E-E Fonte: Projeto Físico de Indutores e Transformadores, INEP. Onde, temos que Ae = Área da seção transversal do núcleo; AW = área da janela. O projeto do indutor se baseia nas Leis de Faraday e Ampère, onde através de algumas manipulações matemáticas através da Figura (6) a seguir. Figura 6 - Fórmula da dimensionar o núcleo do indutor Fonte: Elaboração dos autores (2022). 4.2 Número de espiras do indutor Podemos calcular o número de espiras que será utilizada no indutor através da fórmula na Figura (7) a seguir. Figura 7 - Números de espiras no indutor Fonte: Elaboração dos autores (2022). Para o indutor utilizado no projeto foi utilizado um total de 48 espiras. 10 4.3 Modelagem do entreferro Faz-se necessário a utilização do entreferro no circuito magnético, uma vez que, a indutância é proporcional ao número de espiras ao quadrado e inversamente proporcional ao material, este possui uma relutância, ou seja, uma oposição à passagem de fluxional a relutância. Então com o entreferro o valor da indutância será insensível ao valor da relutância do núcleo. Também, faz-se necessário ressaltar que com o entreferro o indutor poderá operar com valores de correntes mais altas em seu enrolamento sem que sature o núcleo. Desconsiderando a relutância do núcleo. Logo o entreferro deve ser ajustado em: Figura 8 - Modelagem do entreferro Fonte: Elaboração dos autores (2022). O valor do entreferro será distribuído igualmente nas duas pernas laterais do núcleo do tipo E-E, como mostra a Figura (9) seguir: Figura 9 – Distribuição do entreferro do indutor Fonte: Projeto Físico de Indutores e Transformadores, INEP. 11 4.4 Cálculo da Bitola dos Condutores Para o dimensionamento dos condutores deve-se levar em consideração que como o conversor opera em uma frequência alta, devido a seu chaveamento, tem-se o efeito pelicular acentuado, uma vez que a densidade de corrente será acentuada toda na periferia, causando uma redução na área efetiva do condutor. Podemos realizar o cálculo do valor da bitola do condutor para conduzir a corrente do enrolamento, mostrado na figura abaixo. Figura 10 - Cálculo da bitola do fio Fonte: Elaboração dos autores (2022). 12 5.0 DIMENSIONAMENTO DO CONVERSOR O ciclo de trabalho D do conversor foi calculado cujo resultado é mostrado na Eq. 1.10 D= 3 9 = 0,333 Eq. 1.10 O cálculo da carga (R) utilizada no projeto pode ser feito através dos valores de potência e tensão na saída do conversor mostrados na Tabela 2, então através da Eq. 1.11, teremos: R= 𝑉2 𝑃 → 122 10 → 72 5 = 14,4 𝛺 Eq. 1.11 Para calcular o valor mínimo do capacitor utilizado no projeto. Foi realizado uma equação e o resultado é mostrado na Eq. 1.12. C= 1 − 𝐷 8𝐿 ( 𝛥𝑉𝑜 𝑉0 )𝑓2 = 1 − 0,5 8.0,6𝑥10−3.0,01 .40.0002 →C = 1 153600 = 6,51 x 10−6 F Eq. 1.12. A corrente média na saída do conversor e a corrente de pico no indutor L foi calculada através das Equações a seguir: IL= Io = 𝑉𝑜 𝑅 = 12 14,4 = 0,833 A Eq.1.13 Usando a equação a seguir veremos 𝛥𝐼𝑙 = 30% . 𝐼𝐿 → 30 100 𝑥 0,833 → 2499 10.000 = 0,249 A Eq.1.14 O cálculo do valor do indutor L utilizado no conversor foi feito considerando um valor acima do mínimo especificado na equação a seguir. L = ( 𝑉𝑠 − 𝑉0 𝛥𝑖𝐿 𝑥 𝑓 ) 𝑥 D Eq.1.14 Substituindo os valores teremos: L = ( 24 − 12 0,2499 . (40.000) ) 𝑥 0.5 → 1 1666 = → 1 1666 = 0,6 𝑥 10−3 𝐻 13 6.0 METODOLOGIA Para realizar os experimentos do projeto foram utilizados os seguintes equipamentos: Osciloscópio Tektronix Mixed Signal Osciloscope MSO 2012, Gerador de Função Tektronix AFG 2021-BR, Fonte Regulada CC Power Supply MinipaMPL-3305M, Ponte LCR Tektronix TCPA 300 e Placa de Fenolite (5cm x 5cm). Quanto ao modelo proposto, o definimos com os parâmetros abaixo: Tabela 2: Parâmetros para o dimensionamento do conversor buck Tensão de entrada – Vin 5V A 9V Tensão de saída - Vout 3V Frequência de operação - f 30K Hz Potência de saída - Pout 5W Capacitância – C 47uF Fonte: Elaboração dos autores (2022). Os valores mostrados na tabela acima foram definidos levando em consideração os componentes disponíveis no laboratório. A partir destes parâmetros foram dimensionados indutor e o conversor. Abaixo está o circuito que foi parametrizado com os valores obtidos nos dimensionamentos, e simulado no software PSIM. Figura 11:Circuito do conversor buck (PSIM). Fonte: Elaboração dos autores (2022). O indutor teve como características primordiais a intenção de se definir um valor de indutância que fosse compatível com o projeto do conversor, este valor foi definido pelas equações e conseguido na montagem física do dispositivo. Seu valor foi definido em 3,516 mH no dimensionamento e quase que perfeitamente alcançado na montagem prática. Então definido o valor desejado no indutor, partiu-se para a projeção da placa do conversor para que a montagem da mesma fosse definida a partir dos componentes pré- definidos e do indutor já montado. 14 Os componentes utilizados no protótipo de placa foram: • Capacitores eletrolíticos (B41827): para dar característica de fonte de tensão na entrada e saída do conversor; •Capacitores de polipropileno para filtrar ruídos em altas frequências; •MOSFET (IRF 540Z): para o chaveamento do conversor; • Diodo (1N5822): Necessário um diodo de preferência ultrarrápido; • Dissipador de calor para o interruptor; • Resistor: Foi usado um resistor de 10kΩ entre o gate e source do MOSFET. Depois de definidos os componentes a serem utilizados, foi iniciado o dimensionamento do conversor BUCK, usando o software MATHCAD. Foi iniciado então o dimensionamento do indutor, porém houve algumas divergências, por exemplo: era possível ter um melhor aproveitamento do núcleo do indutor, foi observado que o fio AWG 23 e a quantidade de voltas para dá no entreferro não ia ser possível fazer, então algumas modificações foram feitas afim de que desse para ser usado o mesmo foi AWG 23. Logo após o dimensionamento, os parâmetros obtidos foram simulados no software PSIM para que fossem comparados os valores obtidos em simulação com o que foi calculado. Ao final, foi verificado que os valores obtidos em simulação corresponderam aos valores calculados com ótima precisão. Em seguida é efetuada a etapa de elaboração do layout da placa eletrônica, utilizando para este fim o software Proteus 8.0 7.0 MONTAGEM DO PROTÓTIPO A montagem deu se a partir da criação da placa PCI( Placa de circuito impresso) no software Proteus como é mostrado na figura 12. Figura 12: PCI conversor buck Fonte: Elaboração dos autores (2022). 15 Após toda orientação e conclusão da placa no software pelo Professor, deu-se a inicialização da construção da placa, o método utilizado foi o de transferência térmica, na figura 13 é possível ver alguns passos como o corte da placa, soldagem de componentes na placa. Figura 13: Corrosão e soldagem das trilhas Fonte: Elaboração dos autores (2022). Logo após foi efetuada a soldagem dos componentes na placa. Abaixo temos a imagem da placado conversor com os componentes prontamente soldados. Figura 14: Placa de circuito montada Fonte: Elaboração dos autores (2022). Assim iniciou-se o teste do conversor em laboratório como é mostrado na figura 15, verificando as formas de ondas e comparando com as obtidas em simulação. Todo processo foi feito com os equipamentos disponíveis, como descrito anteriormente: osciloscópio, fonte e gerador de funções. Como último passo, foram feitos ajustes dos dispositivos antes das medições. Primeiro ajustou-se a fonte para que solicitasse à placa uma corrente acima da corrente de entrada para maior segurança, no caso 0,5A com a tensão de entrada definida em 5V. A razão cíclica precisou ser ajustada no gerador de função com o auxílio do osciloscópio e a sua frequência foi incluída no teclado do gerador de função. 16 Figura 15: Mesa de bancada do laboratório e seus equipamentos de medição. Fonte: Elaboração dos autores (2022). 8.0 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSÃO Nesta etapa do projeto é mostrado as formas de onda obtidas pela simulação do conversor feita no software PSIM e depois é feita a comparação com as formas obtidas no osciloscópio. Esta prática foi feita em laboratório com uma resistência na saída um pouco acima do valor dimensionado para o conversor, em torno de 2Ω, enquanto a resistência dimensionada tinha valor de 1,8 Ω. A forma de onda da tensão de entrada simulada no software demonstrou o valor desejado no projeto de 5V a 9V. Este valor, como foi definido no projeto, é a tensão de alimentação do conversor e está perfeitamente definido na simulação. Figura16: Forma de onda da tensão de entrada com simulador. Fonte: Elaboração dos autores (2022). Figura17: Forma de onda da tensão de entrada com osciloscópio. Fonte: Elaboração dos autores (2022). 17 Foi verificado na simulação que os resultados obtidos no dimensionamento coincidiram com os valores calculados dando ainda uma pequena margem de segurança na variação da corrente no indutor e mostrando que ele está trabalhando no modo de condução contínua Figura 18: Corrente no indutor com simulador. Fonte: Elaboração dos autores (2022). Figura 19: Corrente no indutor com osciloscópio. Fonte: Elaboração dos autores (2022). Nesta forma de onda, os valores no shunt coincidem com a corrente no indutor indicando que ele está mesmo operando no modo de condução contínua, mesmo apresentando alguns ruídos devido à ressonância do indutor ou mesmo pela descarga e recarga do indutor e capacitor do circuito Foi comprovado em simulação que a variação da tensão de saída está bem próxima, porém menor que o valor dimensionado, nos dando uma margem de segurança e mostrando que os parâmetros estão de acordo com o dimensionamento. Figura 20: Tensão de saída com simulador. Fonte: Elaboração dos autores (2022). 18 Figura 21: Tensão de saída com osciloscópio. Fonte: Elaboração dos autores (2022). Percebe-se que a tensão de saída simulada se encontra um pouco a baixo dos 3V especificados, isso deu-se porque na própria simulação não foram consideradas as perdas no circuito, ou seja, configurou-se mais para o ideal do que para o real. O valor de saída equiparou-se ao dimensionado no simulador com pequena variação. Essa pequena variação pode ter sido causada ou pela variação da tensão de entrada, percas do circuito, à instabilidade da fonteou devido os dispositivos dimensionados não possuírem características perfeitas por serem dispositivos de sucata e que podem agregar erros no conversor. 9.0 CONCLUSÃO Através do projeto do conversor buck, observamos uma pequena variação na tensão de saída, diferindo dos resultados anteriormente simulados. Com um estudo mais detalhado pode-se chegar à conclusão que essa variação se dá por conta das tolerâncias dos componentes utilizados, da reutilização dos mesmos de placas sucateadas, além da forma de ajuste dos equipamentos de controle e medição, fato que nos mostra uma quantidade de erros acumulados. Com a conclusão desse conversor pode-se colocar em prática os assuntos vistos nas aulas de eletrônica de potência. Com as especificações do projeto, se pode realizar os cálculos da capacitância (C), indutância (L), dimensionamento de transistor (S) e diodo (D). Dispondo do osciloscópio pode-se visualizar o comportamento da tensão sobre os componentes que fazem parte do projeto. 10.0 BLIBIOGRAFIA Eletrônica de Potência - Análise e Projetos de Circuitos - Daniel W. Hart AHMED, A. Eletrônica de Potência. São Paulo: Editora afiliada ABDR, PearsonPrentice Hall, 2000. 240 p. 19 ERICKSON, R. W.; MAKSIMOVIC, D. Fundamentals of Power Eletronics. Colorado: Kluwer Academic Publishers, 2004. p. 883. ISBN 0-7923-7270-0. KAZIMIERCZUK, M. K. Pulse-width Modulated DC–DC Power Converters. Ohio: Wiley, 2008. p. 810. ISBN 978-0-470-77301-7. BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 6.ed. Rio de Janeiro: LTC –Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1999. 646 p. FAIRCHILD. FOD3180 2A Output Current, High Speed MOSFET Gate Driver Optocoupler. [S.l.], 2005. p. 13. Rev. 1.0.6. 11.0 ANEXOS 20 21 22 23 24 25
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