Lista 5 - INDUSTRIAL -Mateus Pinheiro Alcântara

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Lista 5 
 
Conversor Buck (Step-down): 
O conversor CC-CC buck reduz a tensão na saída, ou seja, a tensão de saída Vo é menor que a 
tensão de entrada Vi. 
Quando a sua chave de controle S está fechada, o diodo vai estar reversamente polarizado, ou 
seja, ele não vai estar agindo no circuito. Assim, a corrente de entrada vai fluir para o indutor 
(quando tem capacitor também por ele, ou seja, pelo filtro LC) e para a carga, chegando como 
tensão contínua. Com isso, a carga é alimentada e energia é armazenada no indutor. Vale 
mencionar que o filtro é do tipo passa baixa e sua função aqui é reduzir os harmônicos da onda. 
Com a chave aberta a fonte saí do circuito, já que o caminho não vai estar completo e a corrente 
não volta mais para ela e o diodo conduz, já que vai estar diretamente polarizado. A tendência do 
indutor é manter a corrente circulando no sentido de Io, ou seja, de no caminho da malha direita 
onde tem a carga e o filtro, assim, não vai ter corrente circulando pela fonte. Com o diodo 
conduzido, ele ajuda a disparar a energia que ficou armazenada no indutor na etapa anterior para 
a carga, ou seja, vamos estar descarregando energia do indutor na carga. Como resultado disso, ao 
final do processo, vamos ver que a tensão Vo na carga, vai estar dependente da tensão Vl no 
indutor, que depois desse processo é menor que a tensão na entrada Vi, que foi quem o energizou 
inicialmente. Ou seja, ao final, a tensão na saída, ou seja, na carga, é menor que a tensão de 
entrada. 
Conversor Booster (Step-up): 
Aqui, a tensão de saída (Vo) é maior que a tensão de entrada (Vi). 
Com a chave fechada, a fonte armazena energia no indutor. Como a chave está fechada, a 
corrente Isw vai passar pela chave fechada e voltar para a fonte, ou seja, o diodo não vai estar 
agindo aqui. 
Quando a chave abre, aí sim o diodo funciona, ele vai estar conduzindo pela carga, só que agora 
vamos ter a tensão da fonte em série com a tensão do indutor que foi carregado no período de 
chave fechada. Quando a chave abrir e o diodo for conduzir o indutor vai descarregar, para 
descarregar ele mantém o mesmo sentido da corrente, mas para garantir isso a tensão no indutor 
inverte, de forma que vai haver a soma de duas tensões. Teoricamente VL vai estar carregado com 
Vi, então é como se tivéssemos Vi + Vi, de forma que a tensão na carga, a saída seja praticamente 
2 vezes Vi. Outro ponto a se destacar é que nesse processo eu também vou armazenando energia 
no capacitor para que quando a chave fechar de novo eu ainda consiga manter um pouco da 
tensão 2Vi no capacitor e como ele está em paralelo com a carga, ela também manteria essa 
tensão, ou um valor muito próximo dela. Se passasse muito tempo com a chave aberta, como o 
capacitor não estaria sendo alimentado, ele ia descarregar exponencialmente, mas a frequência 
de abrir e fechar a chave é muito rápida, então não tem esse problema. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
d) 
O conversor buck-boost gera tensão negativa na saída. 
Com a chave fechada, o diodo vai estar reversamente polarizado (ou seja, não vai ajudar em nada 
aqui) e a corrente flui pelo indutor, armazenando energia nele e depois volta para a fonte de 
alimentação. Ou seja, tudo a direita do indutor, todo o circuito de carga Vo não está sendo 
alimentando, apenas a malha esquerda está. 
Quando a chave abre, a energia armazenada no indutor vai manter o sentido da corrente para 
baixo. Como a chave está aberta, essa corrente IL vinda dessa energia armazenada não pode voltar 
pela fonte e vai ter que circular na direção do circuito de carga, ou seja, na malha direita. Com 
isso, o que vai estar acontecendo é que a corrente está chegando na carga pelo terminal negativo 
e subindo, assim a tensão vai ser negativa, de forma que Vo = - Vi. 
 
 
 
Ver anotação no outro doc. 
A fonte chaveada mesmo é o diagrama de blocos em azul. Em vermelho da esquerda é a fase, 
neutro e terra por onde veem nossa tensão AC, como 220V e na direita os terminais de saída. 
Dentro da fonte chaveada vamos ter basicamente 2 conversores, um conversor CC-CC de saída, 
que vai fornecer a tensão de saída CC e um conversor CA-CC de entrada, que pega energia na 
forma de corrente alternada e passa para corrente contínua na carga. 
Normalmente é o retificador monofásico não controlado e temos um capacitor para filtrar a 
tensão de saída e proteger o circuito elétrico. Eles estão marcados de rosa. 
Esse conjunto rosa de retificador e filtro de saída (capacitor) representa um conversor CA-CC de 
entrada na fonte chaveada. A saída desse conversor CA-CC vai ser a entrada do segundo 
conversor, que é o CC-CC, representado em verde: 
A lógica de funcionamento é a seguinte: o conversor CA-CC converte a tensão de entrada de 
alternada para contínua. A questão é, essa tensão contínua na saída tem um valor muito alto, já 
que aqui normalmente só é feito a retificação e filtragem da tensão de entrada. 
Nesse Vin circulado de rosa acima, basicamente o que vemos é essa tensão no gráfico que fica 
quase contínua pelo efeito do capacitor. Esse Vin é Vrms vezes raiz de 2, ou seja, 220 vezes raiz de 
2 que dá 311V, que é uma tensão de saída contínua muito alta, tendo em vista que essas fontes 
chaveadas podem ser usadas para carregar celulares, por exemplo. 
Só para recapitular, na entrada do conversor CA-CC tínhamos uma tensão AC de 220V e na sua 
saída, no Vin temos uma tensão CC de 311V. Vamos supor que queremos transformar a tensão de 
saída da fonte chaveada de 12V CC, ainda tem muito trabalho a fazer para diminuir essa tensão de 
311V. 
Vamos analisar agora o circuito do conversor CC-CC. 
Aqui temos um transformador HF, onde temos no seu primário um elemento de chaveamento, 
uma chave semicondutora, normalmente um MOSFET (uma chave de alta frequência CC). 
Basicamente esse MOSFET fica chaveando o primário do transformador, ligando e desligando a 
tensão do primário. Essa chave semicondutora é quem está circulado de verde abaixo: 
A tensão no primário é CC, se a gente ligar e deixar ligado, essa tensão CC gera a corrente 
circulando que gera ao redor no espaço campo magnético. Campo magnético passando na bobina 
do secundário pode induzir tensão alternada desde que o fluxo magnético seja variado. Ou seja, 
dentro de uma bobina, se o fluxo varia com o tempo a gente gera tensão induzida, se o fluxo for 
constante a tensão induzida é zero. Vamos ter fluxo constante se a corrente for constante, já que 
o campo magnético é diretamente proporcional a corrente (que pode ser provado com as 
formulas abaixo). Ou seja, se a corrente for constante, o campo magnético será constante, que vai 
fazer o fluxo ser constante e por consequência a tensão induzida é zero. 
O que temos nesse transformado é que a tensão é constante, mas se eu ficar ligando e desligando 
essa chave de controle, eu vou ter uma tensão que é variante no tempo, logo a corrente no 
primário é variável no tempo, o que implica no fluxo também ser variável no tempo, o que nos 
garante que a tensão induzida seja gerada no secundário, uma tensão diferente de zero que é 
variável. 
Como essa tensão induzida também é variável, ela pode ter valores positivos e negativos, então 
vamos ter que retificar essa tensão, o que nos diz que no secundário eu vou ter outro retificador, 
que é um conversor CA-CC. Ou seja, acabamos de ver que na verdade essa fonte chaveada tem 3 
conversores, dois CA-CC e um CC-CC, sendo um CA-CC de entrada, um CC-CC global de saída e um 
CA-CC dentro do CC-CC, que fica no secundário do transformador de alta frequência. 
Agora, na saída do secundário o meu novo conversor CA-CC vai pegar essa corrente alternada 
induzida e retificar ela para nos dar um valor de tensão CC na saída do conversor. Essa é a V’ vista 
abaixo, que ainda é diferente do Vo de saída final. 
Essa tensão V’ ainda é uma tensão que fica variando dependendo da frequência, para tornar ela 
mais estável,mais constante, nós usamos filtros RL. Ou seja, a tensão V’ vai ser filtrada pelo 
indutor e capacitor marcados na figura abaixo: 
Na saída, depois do indutor em série e do capacitor em paralelo, ou seja, depois do circuito de 
filtro, nós vamos ter uma tensão mais constante e estável dentro da faixa de operação do 
equipamento que vai usar a fonte chaveada. 
Temos que destacar uma coisa, os conversores CA-CC são não controlados, mas o CC-CC é um 
dispositivo controlado. Ou seja, essa chave do primário, a chave semicondutora, precisa ser 
controlada. 
Geralmente essa chave de controle é um MOSFET. Vamos ter um circuito de disparo para ligar e 
desligar o Gate do MOSFET, que vai resultar no chaveamento do primário do transformador. 
Quem manda esse MOSFET ligar e desligar é o circuito de feedback, o controlador de feedback, ele 
é nosso circuito de controle. 
Esse controlador de feedback controla a chave semicondutora (no caso, MOSFET) a partir de um 
Vo’ que chamamos de Vref, ou V de referência, que é a referência de tensão que nós queremos na 
saída. Ou seja, se queremos 12V na saída, esse Vref vai ser 12 e ele vai ficar comparando por um 
fio que liga no terminal da saída se está com essa tensão ou não. Ou seja, ele lê a tensão de saída e 
compara com a tensão de referência dele. Dependendo desse valor que estiver na saída, o circuito 
de feedback vai aumentar ou diminuir a frequência de chaveamento. 
Mas como isso funciona? 
Vamos imaginar que na saída temos nosso circuito de carga (para o exemplo, vamos deixar só uma 
resistência mesmo). Dentro da especificação do produto de fonte chaveada, a tensão de saída tem 
que ser constante. Ou seja, de 0A até 5A, minha tensão de saída tem que permanecer 12V. 
Vamos supor que temos na saída 12V e 5A. Se eu colocar uma resistência de valor alto, a corrente 
vai ter um valor baixo. Qual a tendência da tensão? O que temos que entender é que se a 
frequência estiver alta, isso vai aumentar minha tensão de saída, o que o projetista faz é que a 
fonte chaveada ao perceber que sua saída está tendendo a aumentar de 12V por causa da 
pequena carga (alta resistência) puxando pouca corrente, ou seja, potência baixa, ele diminua a 
frequência de chaveamento do MOSFET, que vai resultar nessa tensão de saída voltando a abaixar, 
até que se estabilize nos 12V, com a frequência fazendo essa variância de aumentar e diminuir 
para nunca deixar subir além de 12V nem cair abaixo de 12V. 
Já se a gente botar uma carga maior, ou seja, colocar um resistor que drene mais corrente 
(resistência menor), a corrente vai aumentando. A tendência é que o capacitor e o indutor 
descarreguem mais rápido, que faz com que a tensão caia cada vez mais rápido. Assim a tensão vai 
carregar e descarregar muito rápido, no gráfico vemos que a área vai diminuindo, ou seja, a tensão 
vai diminuindo. O comparador ver isso no circuito de feedback e manda aumentar a frequência 
para distância entre os picos diminuírem, a área aumenta e a tensão de saída vai aumentando. 
Com o circuito de feedback fazendo esse controle da frequência para aumentar ou diminuir as 
distancias entre os picos, assim aumentando ou diminuindo as áreas e aumentando ou diminuindo 
a tensão de saída.