Atividade 3 - UAM

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Os automóveis precisam de dois tipos de energia para funcionarem. O primeiro advém da queima do combustível, proporcionando a locomoção. Já o outro se apresenta quando há uma série de periféricos para que a experiência de uma viagem seja a mais agradável possível. É nesse momento que a energia advinda de uma bateria de 12V torna-se fundamental.
Vários são os equipamentos eletrônicos presentes em um carro, como lâmpadas dos faróis ou do salão, som, limpador de para-brisas etc. Há, inclusive, direções elétricas. O que há em comum entre todas essas cargas é que o suprimento de energia é realizado pela mesma fonte, no caso, a bateria supracitada. 
Considerando as informações apresentadas, analise as duas situações a seguir: 1) a carga requer uma tensão menor do que os 12V da bateria, como em uma porta USB comum; 2) será necessária uma tensão maior do que a do sinal que advém da bateria, como para alimentar um notebook. 
Para esta atividade, você deverá descrever qual o conversor mais recomendado para cada uma das situações apresentadas, indicando, ainda, os circuitos básicos para a operação, aspectos construtivos e a forma de onda do sinal de saída, observando o nível das ondulações de tensão em cada uma das situações.
Resposta:
Introdução
Os reguladores de tensão estão presentes em diversos aparelhos eletrônicos de nosso dia a dia, principalmente nos portáteis, como notebooks e aparelhos celulares. Eles são utilizados para abaixar a tensão de uma fonte de alimentação para um circuito. Outro método de realizar esta conversão de alimentação é através de conversores DC/DC, que são capazes de diminuir, ou aumentar (dependendo de seu circuito e da necessidade), a sua tensão de saída em relação à tensão de entrada. 
Referente a situação 1 o mais recomendável é utilizar um circuito abaixador, também chamado como buck.
Os circuitos abaixadores, ou "buck", são usados para abaixar a tensão de saída em relação a tensão de entrada. Assim como os circuitos amplificadores, também são compostos de um diodo, um capacitor, um indutor e um MOSFET, porém em uma configuração diferente. Para os circuitos "buck", o MOSFET está em série em com o indutor, que está conectado ao capacitor em paralelo à saída. Entretanto, entre o MOSFET e o indutor há um diodo, que cria um circuito de "flywheel" na saída, como mostrado na Figura 1. 
Figura 1 Circuito Básico de Conversor Abaixador (buck)
Sendo composto por:
Considerações para análise deste circuito:
- Os componentes são ideais;
- Opera em regime permanente;
- Capacitância elevada do capacitor de saída, desta forma podemos considerar o capacitor como uma fonte de tensão, com valor .
Assim como para o conversor amplificador, para o conversor abaixador é necessário aplicar um sinal de onda quadrada para o seu chaveamento, o que também permite um controle por PWM.
Quando a onda do sinal de controle se encontra em um nível lógico alto (período 
), o mosFET é polarizado, permitindo a passagem de corrente pelo indutor, pelo capacitor e pela carga. Neste momento, a energia recebida pela carga é limitada, já que parte desta energia está sendo consumida pelo indutor para se carregar. Além disso, neste momento é aplicada uma alta tensão positiva ao diodo do circuito, o que faz com que ele não seja polarizado, como na Figura 2.
Assinalado em amarelo o sentido da corrente elétrica com a chave S ligada
Figura 2 Circuito de Conversor Abaixador com Chaveamento Ligado
Já quando o sinal de controle se encontra em um nível lógico baixo (período 
), a passagem de corrente é impedida pelo mosFET e a alimentação da carga é feita pela energia armazenada pelo capacitor e pelo indutor. Neste momento o diodo do circuito é polarizado, fechando o circuito, como na Figura 3.
Assinalado em amarelo o sentido da corrente elétrica com a chave S desligada
Figura 3 Circuito de Conversor Abaixador com Chaveamento Desligado
Nesta configuração, a tensão de saída (Vout) é igual ao produto da tensão de entrada (Vin) pelo "duty cycle" do chaveamento (D), como na fórmula a seguir.
Desta maneira, quanto maior o "duty cycle", mais próxima do valor de entrada será a tensão de saída. Consequentemente, para reduzir a tensão de saída, é necessário reduzir o ciclo de operação do sistema.
Exemplo numérico de cálculo de circuito buck:
Referente a situação 2 o mais recomendável é utilizar um circuito aumentador, também chamado como boost.
Os conversores amplificadores, ou "boost", como são conhecidos, são usados para aumentar a tensão de saída em relação à tensão de entrada. Para isso eles utilizam um circuito básico composto por um indutor em série com a alimentação positiva de entrada, que está conectado em série a um diodo, por sua vez conectado a um capacitor em paralelo com a saída do circuito. Entretanto, entre o indutor e o diodo há um MOSFET que está conectado paralelamente à saída do circuito, indicado como chave S na imagem a seguir (terminal dreno conectado entre saída da bobina e anodo do diodo, terminal fonte conectado junto a fonte, saída e capacitor). É possível criar este circuito utilizando outros modelos de transistores, mas a escolha deve ser determinada por uma série de fatores, dentre eles a corrente que o circuito irá conduzir, a tensão e a velocidade de chaveamento.
O mosFET é quem gera o chaveamento no circuito, gerando uma onda quadrada, o que facilita o controle do circuito, já que é possível aumentar ou diminuir a tensão de saída de acordo com "duty cycle" aplicado à onda, ou seja, é possível controlar este circuito através de um PWM, como mostrado na Figura 4.
Figura 4 Circuito Básico de Conversor Aumentador (boost)
Sendo composto por:
Considerações para análise deste circuito:
- Os componentes são ideais;
- Opera em regime permanente;
- Capacitância elevada do capacitor de saída, desta forma podemos considerar o capacitor como uma fonte de tensão, com valor .
Neste circuito, quando uma borda de subida é enviada para o mosFET (período 
), o mesmo permite a passagem de corrente entre os seus terminais Dreno e Fonte (representado como os terminais da chave S), criando um curto-circuito entre o indutor e a fonte de entrada do circuito, o que faz com que passe corrente pelo indutor, o carregando eletromagneticamente, como na Figura 5.
Assinalado em amarelo o sentido da corrente elétrica com a chave S ligada
Figura 5 Circuito Básico para Conversor Amplificador com Chaveamento Ligado
Note na Figura 5 que não há corrente considerável passando para a saída do circuito, e isso se deve fato de que, quando o MOSFET fecha o circuito entre o indutor e a alimentação de entrada, a resistência da carga de saída é infinitamente maior que a resistência desta parte do circuito.
Já para a borda de descida da onda de controle (período 
), o mosFET se mantém aberto, o que permite que o indutor libere toda energia que ele armazenou para o circuito, juntamente com a passagem de corrente da fonte de entrada. Deste modo a corrente passa pelo diodo do circuito e chega ao capacitor, o carregando enquanto a carga é alimentada, como na Figura 6.
Figura 6 Circuito Básico para Conversor Amplificador com Chaveamento Desligado
Neste momento, o indutor do circuito libera a energia que armazenou, resultando no aumento da tensão de saída do sistema. Esta tensão de saída é igual à soma da tensão liberada pelo indutor (VL) com a tensão de entrada (Vin). Esta tensão de saída também é usada para carregar o capacitor, garantindo que ele mantenha a tensão de saída enquanto o indutor estiver sendo carregado.
Para finalizar o ciclo, o sinal de entrada volta a ser uma borda de subida, fechando novamente o circuito entre o mosFET, o indutor e a fonte de entrada. Entretanto, como o capacitor de saída está carregado, ele libera energia para a carga. Neste momento o diodo do circuito impede a passagem de uma corrente reversa, graças à sua polaridade;
Nesta configuração, a tensão de saída (Vout) é igual à razão da tensão de entrada (Vin), pela diferença unitária do "duty cycle" (D) da ondade controle, como na fórmula a seguir.
O "duty cycle" varia entre 0 e 1 (correspondendo a 0 e 100%), portanto, quanto maior o ciclo de trabalho do sistema, maior será a tensão de saída do conversor.
Exemplo numérico de cálculo de circuito boost:
Referências:
DE CASTRO, Giovanni: Diodo: Função, Aplicação e 10 Tipos Principais (Guia Completo). Disponível em https://www.robocore.net/tutoriais/introducao-regulador-de-tensao acessado em 02 de Abril de 2023.
Buck Converter: Basics, Working, Design and Operation. Disponível em https://components101.com/articles/buck-converter-basics-working-design-and-operation acessado em 02 de Abril de 2023.
COATES, Eric: Buck Converters. Disponível em https://learnabout-electronics.org/PSU/psu31.php acessado em 02 de Abril de 2023.
CORTEZ, Daniel Flores: Conversor CC-CC Buck - Modo de Condução Contínua – CCM Disponível em https://www.youtube.com/watch?v=gGUoB-HvKTY acessado em 02 de Abril de 2023.
CORTEZ, Daniel Flores: Conversor CC-CC Boost - Modo de Condução Contínua - CCM Disponível em https://www.youtube.com/watch?v=FRnqgkM-EN8 acessado em 02 de Abril de 2023.