Tcc_aléssio_versao_final_corrigido (1)

Prévia do material em texto

<p>Universidade Federal de Campina Grande</p><p>Centro de Engenharia Elétrica e Informática</p><p>Unidade Acadêmica de Engenharia Elétrica</p><p>Trabalho de Conclusão de Curso</p><p>Projeto, Desenvolvimento e Montagem de Circuito de Comando</p><p>Microcontrolado para Acionamento de Chaves em Conversores</p><p>CC-CC do Tipo Buck</p><p>Aléssio Trajano Sousa Soares Santos</p><p>Campina Grande - PB</p><p>Novembro de 2023</p><p>Aléssio Trajano Sousa Soares Santos</p><p>Trabalho de Conclusão de Curso sub-</p><p>metido ao curso de Engenharia Elétrica</p><p>da Universidade Federal de Campina</p><p>Grande como requisito parcial para a</p><p>obtenção do título de Bacharel em En-</p><p>genharia Elétrica</p><p>Talvanes Meneses Oliveira, Dr.</p><p>Professor Orientador</p><p>Campina Grande - PB</p><p>Novembro de 2023</p><p>Agradecimentos</p><p>Agradeço, primeiramente, a Deus, por todas as bênçãos que me foram concedidas.</p><p>Aos meus pais, Lino e Albaniza, expresso minha gratidão por todo o apoio e incentivo</p><p>dados, especialmente nos momentos difíceis. Agradeço por me proporcionarem educação</p><p>desde a infância até os dias atuais. Amo vocês profundamente.</p><p>Aos meus avós, Luiz e Marcelina, e Hilda, agradeço imensamente por todo o apoio</p><p>e incentivo, tanto financeiro quanto emocional. Obrigado por tudo.</p><p>Ao meu tio Luimar, e às minhas tias Ligia, Laurimar e Francisca, agradeço por</p><p>sempre acreditarem em mim e por nunca deixarem faltar nada durante minha graduação.</p><p>Expresso minha gratidão aos meus irmãos, Luiz Neto, Alan e Mikaely, pela paci-</p><p>ência e parceria.</p><p>À minha namorada, Julia, agradeço por estar ao meu lado nos momentos difíceis</p><p>e por me apoiar constantemente. Te amo.</p><p>Aos meus amigos que fiz durante esse longo período de graduação, obrigado pela</p><p>companhia e paciência. Sucesso para vocês!.</p><p>Agradeço aos técnicos Paulo, Wellington, Lúcio e Bianca por toda a assistência</p><p>prestada.</p><p>Quero expressar minha gratidão ao meu orientador, professor Talvanes, por sua</p><p>dedicação, paciência e amizade durante o meu TCC. Sua orientação foi crucial, e sua</p><p>disposição em sanar minhas dúvidas fez toda a diferença. Além de um orientador incrível,</p><p>você se tornou um grande amigo. Obrigado por tudo.</p><p>Resumo</p><p>O trabalho consiste no desenvolvimento de uma interface em uma placa de circuito im-</p><p>presso, utilizando um microcontrolador PIC16F877A para gerar um sinal PWM (Pulse</p><p>Width Modulation), com ciclo de trabalho variando de 0 a 0,99, com uma resolução de</p><p>10 bits. Esse sinal é empregado no controle de um módulo de potência de um conversor</p><p>buck.</p><p>Palavras-chaves: PWM, PIC16F877A, "buck", Interface.</p><p>Abstract</p><p>The work consists of developing an interface on a printed circuit board, using a PIC16F877A</p><p>microcontroller to generate a PWM (Pulse Width Modulation), with duty cycle varying</p><p>from 0 to 0.99, with a resolution of 10 bits. This signal is used to control a power module</p><p>of a converter buck.</p><p>Key-words: PWM, PIC16F877A, "buck", Interface.</p><p>Lista de Ilustrações</p><p>Figura 1 – Conversor buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13</p><p>Figura 2 – Chave S fechada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14</p><p>Figura 3 – Chave S aberta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14</p><p>Figura 4 – Forma de onda da tensão elétrica no indutor . . . . . . . . . . . . . . . 15</p><p>Figura 5 – Simbologia do MOSFET IRF840 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16</p><p>Figura 6 – PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17</p><p>Figura 7 – Circuito gerador da PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18</p><p>Figura 8 – PIC16F877A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19</p><p>Figura 9 – HCPL-3180 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21</p><p>Figura 10 – Módulo de potência do conversor abaixador . . . . . . . . . . . . . . . 22</p><p>Figura 11 – Capacitor de 10𝜇𝐹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23</p><p>Figura 12 – Configuração dos fuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25</p><p>Figura 13 – Saída da PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30</p><p>Figura 14 – Diagrama de blocos da PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31</p><p>Figura 15 – Esquemático da IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33</p><p>Figura 16 – Layout da IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34</p><p>Figura 17 – Modelo 3D da IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34</p><p>Figura 18 – Placa da IHM com os componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35</p><p>Figura 19 – Esquemático da placa do microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . 36</p><p>Figura 20 – Layout da placa do microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37</p><p>Figura 21 – Modelo 3D da placa do microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . 37</p><p>Figura 22 – Placa do microcontrolador com os componentes . . . . . . . . . . . . . 37</p><p>Figura 23 – Fontes de alimentação das placas e do conversor . . . . . . . . . . . . . 38</p><p>Figura 24 – Esquemático do conversor abaixador para simulação . . . . . . . . . . . 39</p><p>Figura 25 – Forma de onda da tensão de saída do conversor . . . . . . . . . . . . . 40</p><p>Figura 26 – Forma de onda da corrente no indutor na condução contínua . . . . . . 40</p><p>Figura 27 – Forma de onda da corrente no indutor na condução descontínua . . . . 41</p><p>Figura 28 – Forma de onda da corrente no indutor na condução crítica . . . . . . . 41</p><p>Figura 29 – Circuito montado para simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42</p><p>Figura 30 – Frequência de 1kHz na simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42</p><p>Figura 31 – Frequência de 5kHz na simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42</p><p>Figura 32 – Frequência de 10kHz na simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>Figura 33 – Frequência de 15kHz na simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>Figura 34 – Frequência de 20kHz na simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43</p><p>Figura 35 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 1kHz . . . . . . . . . 44</p><p>Figura 36 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 5kHz . . . . . . . . . 44</p><p>Figura 37 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 10kHz . . . . . . . . . 45</p><p>Figura 38 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 15kHz . . . . . . . . . 45</p><p>Figura 39 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 20kHz . . . . . . . . . 45</p><p>Figura 40 – Pulso com precisão de 1% . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46</p><p>Figura 41 – Frequência de 1kHz no módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47</p><p>Figura 42 – Frequência de 5kHz no módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47</p><p>Figura 43 – Frequência de 10kHz no módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47</p><p>Figura 44 – Frequência de 15kHz no módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48</p><p>Figura 45 – Frequência de 20kHz no módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48</p><p>Figura 46 – PWM de 1kHz e 50% de razão cíclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49</p><p>Figura 47 – PWM de 5kHz e 50% de razão cíclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49</p><p>Figura 48 – PWM de 10kHz e 50% de razão cíclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50</p><p>Figura 49 – PWM de 15kHz e 50% de razão cíclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50</p><p>Figura 50 – PWM de 20kHz e 50% de razão cíclica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51</p><p>Figura 51 – PWM de 10kHz com pulso de 1% de razão cíclica . . . . . . . . . . . . 51</p><p>Figura 52 – Aguardando pressionar o botão Enter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52</p><p>Figura 53 – Tensão de saída para 1kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53</p><p>Figura 54 – Tensão de saída para 5kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53</p><p>Figura 55 – Tensão de saída para 10kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54</p><p>Figura 56 – Tensão de saída para 15kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54</p><p>Figura 57 – Tensão de saída para 20kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54</p><p>Figura 58 – Forma de onda da corrente no indutor para o modo de condução crítica 55</p><p>Figura 59 – Forma de onda da corrente no indutor para o modo de condução des-</p><p>contínua</p><p>. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56</p><p>Figura 60 – Forma de onda da corrente no indutor para o modo de condução contínua 56</p><p>Figura 61 – Conversor buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62</p><p>Figura 62 – Módulo de potência do conversor buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62</p><p>Figura 63 – Placa IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63</p><p>Lista de Abreviaturas e Siglas</p><p>CC-CC Corrente Contínua-Corrente Contínua</p><p>F Faraday</p><p>H Henry</p><p>IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor</p><p>IHM Interface Homem-Máquina</p><p>LCD Liquid Crystal Display</p><p>LED Light Emitting Diode</p><p>m 10−3</p><p>MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor</p><p>PWM Pulse Width Modulation</p><p>UFCG Universidade Federal de Campina Grande</p><p>𝜇 10−6</p><p>Lista de tabelas</p><p>Tabela 1 – Valores do registrador PR2 para as frequências desejadas. . . . . . . . 26</p><p>Tabela 2 – Valores do conjunto de registradores (CCPR1L:CCP1CON<5:4:) para</p><p>as frequências desejadas e ciclo de trabalho de 50%. . . . . . . . . . . . 28</p><p>Tabela 3 – Valores de tensão de entrada e saída do conversor para as frequências</p><p>de chaveamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63</p><p>Sumário</p><p>Lista de Ilustrações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5</p><p>Lista de Abreviaturas e Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7</p><p>Lista de tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8</p><p>1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11</p><p>1.1 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12</p><p>2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13</p><p>2.1 Conversores CC-CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13</p><p>2.2 Chave eletrônica (MOSFET) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16</p><p>2.3 Modulação por Largura de Pulso - PWM . . . . . . . . . . . . . . . . 17</p><p>2.4 Microcontrolador PIC16F877A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18</p><p>2.5 Gate Drive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20</p><p>3 MÓDULO DE POTÊNCIA DO CONVERSOR BUCK . . . . . . . . 22</p><p>4 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR . . . . . . . . . . . 24</p><p>4.1 Bits de Configuração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24</p><p>4.2 Rotinas do Código . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25</p><p>4.3 Geração do Sinal PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25</p><p>4.3.1 Cálculo de PR2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26</p><p>4.3.2 Resolução do Sinal PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26</p><p>4.3.3 Cálculo do Conjunto de Registradores (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) . . . . . 27</p><p>4.3.4 Atribuição dos Valores aos Registradores via Programação . . . . . . . . . 28</p><p>4.3.5 Configurando T2CON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30</p><p>5 INTERFACE HOMEM-MÁQUINA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32</p><p>5.1 Placa da IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32</p><p>5.2 Placa do Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35</p><p>5.3 Alimentação Elétrica das Placas e do Conversor . . . . . . . . . . . . 37</p><p>6 ANÁLISE DOS RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39</p><p>6.1 Simulação do Conversor buck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39</p><p>6.2 Simulação do Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41</p><p>6.3 Análise dos Resultados no Módulo Didático . . . . . . . . . . . . . . 47</p><p>7 TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58</p><p>8 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59</p><p>REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60</p><p>APÊNDICES 61</p><p>APÊNDICE A – GUIA DE UTILIZAÇÃO DO MÓDULO . . . . . . 62</p><p>APÊNDICE B – CÓDIGO EM LINGUAGEM C DESENVOLVIDO</p><p>PARA GERAR O SINAL PWM . . . . . . . . . . . 64</p><p>11</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>A eletrônica de potência é um ramo fundamental da Engenharia Elétrica que se</p><p>concentra na conversão, controle e gerenciamento eficiente de energia elétrica em diferen-</p><p>tes níveis de tensão e corrente. Sua importância reside no fato de que ela desempenha um</p><p>papel crucial na otimização do uso de energia em uma ampla gama de aplicações industri-</p><p>ais, comerciais e até mesmo residenciais. Ao empregar dispositivos eletrônicos de potência</p><p>como retificadores, inversores, conversores CC-CC e outras topologias avançadas, a ele-</p><p>trônica de potência permite a eficiente adaptação e distribuição de energia, contribuindo</p><p>para maior eficiência energética e a redução de perdas.</p><p>Os conversores CC-CC são circuitos eletrônicos utilizados para a conversão de</p><p>energia elétrica, sendo amplamente usados em muitas aplicações, incluindo carregadores</p><p>de bateria e fontes de alimentação. O conversor buck (abaixador de tensão) é um dos tipos</p><p>mais comuns de conversor CC-CC.</p><p>A disciplina do Laboratório de Eletrônica de Potência do curso de Engenharia</p><p>Elétrica da UFCG estuda o funcionamento destes circuitos. Com base nisso, para pro-</p><p>porcionar uma experiência ao aluno de modo que ele possa verificar, na prática, o que</p><p>foi aprendido na teoria, será desenvolvido um circuito de comando microcontrolado em</p><p>uma placa de circuito impresso com uma interface para operar o circuito de potência do</p><p>conversor buck. Nesta placa, o aluno contará com botões, LEDs indicativos e um display</p><p>LCD, permitindo-lhe configurar a frequência e a razão cíclica do sinal PWM.</p><p>Este trabalho está estruturado em sete capítulos, que são: introdução (Capítulo</p><p>1); fundamentação teórica (Capítulo 2); módulo de potência do conversor buck (Capítulo</p><p>3); programação do microcontrolador (Capítulo 4); interface Homem-Máquina (Capítulo</p><p>5); análise dos resultados (Capítulo 6) e trabalhos futuros (Capítulo 7).</p><p>Na fundamentação teórica (Capítulo 2), será realizada a análise do conversor CC-</p><p>CC abaixador, a dedução das equações da tensão de saída e a equação para dimensio-</p><p>namento dos componentes passivos (indutor e capacitor). Será realizada uma análise das</p><p>chaves eletrônicas empregadas nesses conversores. Também será abordada a modulação</p><p>por largura de pulso, responsável pela frequência de chaveamento do conversor, assim</p><p>como o controle da tensão de saída. O capítulo incluirá detalhes sobre o microcontrolador</p><p>PIC16F877A, suas funções e equações principais. Por fim, será feita uma análise sobre o</p><p>gate drive, responsável pelo ganho de tensão do sinal PWM, para controlar a abertura e</p><p>o bloqueio da chave semicondutora do conversor buck.</p><p>No capítulo 3, será apresentado o módulo de potência do conversor buck, expondo</p><p>os componentes do módulo, bem como o cálculo do capacitor de saída do conversor e o</p><p>Capítulo 1. INTRODUÇÃO 12</p><p>valor da oscilação da corrente no indutor.</p><p>No capítulo 4, será abordada a programação do microcontrolador para a geração</p><p>do sinal PWM, incluindo as configurações dos registradores e a atribuição desses valores</p><p>por meio de programação.</p><p>No capítulo 5, será descrito como foi desenvolvida a interface Homem-Máquina</p><p>para que o usuário possa controlar a frequência e o valor do ciclo de trabalho do sinal</p><p>PWM gerado pelo microcontrolador.</p><p>No capítulo 6, será realizada a análise dos resultados.</p><p>Por fim, no capítulo 7, serão discutidos os pontos propostos para atividades a</p><p>serem realizadas no futuro.</p><p>1.1 Objetivos</p><p>O objetivo geral consiste em desenvolver um circuito de comando para um con-</p><p>versor buck, visando proporcionar aos estudantes de laboratório um aprendizado prático</p><p>sobre princípios de Eletrônica de Potência, controle de tensão e corrente elétrica, além</p><p>de promover uma compreensão sobre o funcionamento e aplicações dos conversores de</p><p>energia. Os objetivos específicos são:</p><p>• projetar e implementar um circuito de comando com microcontrolador em uma</p><p>placa de circuito impresso para acionamento de um conversor buck de um módulo didático</p><p>do Laboratório de Eletrônica de Potência da UFCG, permitindo o ajuste da frequência e</p><p>do ciclo de trabalho do sinal PWM;</p><p>• projetar e implementar uma interface que permita aos alunos</p><p>uma compreensão</p><p>dos princípios de funcionamento de um circuito de comando para os conversores CC-CC ;</p><p>• Desenvolver uma interface para que o aluno possa configurar o sinal PWM de</p><p>saída conforme suas preferências, de modo a permitir que os alunos apliquem os conceitos</p><p>teóricos aprendidos em sala de aula na prática, possibilitando a análise das tensões e</p><p>correntes elétricas do conversor;</p><p>13</p><p>2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA</p><p>2.1 Conversores CC-CC</p><p>Os conversores CC-CC desempenham um papel fundamental na Eletrônica de</p><p>Potência. Esses circuitos têm a capacidade de fornecer uma tensão elétrica regulada na</p><p>saída a partir de uma entrada não regulada ou variável (HART, 2016). Ao contrário de</p><p>reguladores lineares comuns, como o LM7805, os conversores são altamente eficientes,</p><p>especialmente quando há uma grande disparidade entre as tensões elétricas de entrada</p><p>e saída, já que os reguladores operam de maneira dissipativa, enquanto os conversores</p><p>funcionam de forma chaveada, minimizando as perdas. Outra vantagem significativa é</p><p>que os conversores podem fornecer tanto saídas de tensão elétrica mais altas quanto mais</p><p>baixas em comparação com a entrada, enquanto os reguladores lineares apenas reduzem</p><p>a tensão de entrada para um nível constante e mais baixo. O conversor CC-CC do tipo</p><p>buck (figura 1), produz uma tensão elétrica menor na saída 𝑉𝑜 em relação à entrada 𝑉𝑖𝑛.</p><p>Figura 1 – Conversor buck</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>O circuito do conversor abaixador é composto por dois elementos passivos, o indu-</p><p>tor L e o capacitor C, além de dois componentes semicondutores: o diodo D e uma chave</p><p>eletrônica S com controle do estado de condução e bloqueio, unidirecional em tensão e</p><p>em corrente, a exemplo de, BJT, MOSFET ou IGBT. Além disso, requer uma tensão de</p><p>alimentação e uma carga representada na figura 1 pela resistência R. Para compreender</p><p>o princípio de funcionamento do circuito e determinar a relação entre a tensão elétrica de</p><p>entrada e saída, é crucial analisar os estágios de comutação da chave S, isto é, realizar a</p><p>análise quando a chave está aberta e quando está fechada. Quando a chave S está fechada,</p><p>o circuito assume a configuração ilustrada na figura 2.</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 14</p><p>Figura 2 – Chave S fechada</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>A tensão elétrica 𝑉𝑜 é menor que 𝑉𝑖𝑛 para o estágio de condução da chave S.</p><p>Observa-se também que o diodo D estará bloqueado, pois o potencial positivo aparece</p><p>no seu terminal de cátodo. Então, ao analisar a malha externa pela Lei de Kirchhoff,</p><p>obtém-se a seguinte equação:</p><p>−𝑉𝑖𝑛 + 𝑉𝑙 + 𝑉𝑜 = 0</p><p>𝑉𝑙 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑜 . (2.1)</p><p>A tensão elétrica no indutor é positiva porque 𝑉𝑜< 𝑉𝑖𝑛. Agora, ao analisar o circuito</p><p>da figura 3 com a chave S aberta, o diodo entrará rapidamente em condução (idealmente</p><p>com uma tensão elétrica nula entre os seus terminais de ânodo e cátodo) devido à im-</p><p>possibilidade de variação abrupta na corrente no indutor. Assim, o diodo é polarizado</p><p>diretamente.</p><p>Figura 3 – Chave S aberta</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Para este estágio de condução, a equação (2.2) corresponde à tensão elétrica no</p><p>indutor.</p><p>𝑉𝑙 = −𝑉𝑜 . (2.2)</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 15</p><p>De posse das equações (2.1) e (2.2) foi elaborado a forma de onda ideal da tensão elétrica</p><p>no indutor (figura 4). Considerando que, em regime permanente, a tensão média sobre ele</p><p>é 0V, além do fato de que o valor médio de qualquer gráfico é obtido dividindo a sua área</p><p>pelo período, tem-se o seguinte:</p><p>Figura 4 – Forma de onda da tensão elétrica no indutor</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>(𝑉in − 𝑉𝑜) × 𝑇on − 𝑉𝑜 × 𝑇off</p><p>𝑇𝑠</p><p>= 𝑉l_médio = 0,</p><p>𝑇off = 𝑇𝑠 − 𝑇on</p><p>Então,</p><p>𝑉𝑜 = 𝑉in × 𝑇on</p><p>𝑇𝑠</p><p>. (2.3)</p><p>Onde, a relação 𝑇𝑜𝑛</p><p>𝑇𝑠</p><p>é conhecida como razão cíclica ou ciclo de trabalho (𝐷),</p><p>podendo variar de 0 a 1. Portanto, a relação entre a tensão elétrica de entrada e saída do</p><p>conversor é dada pela equação (2.4).</p><p>𝑉𝑜 = 𝑉𝑖𝑛 × 𝐷. (2.4)</p><p>Para o dimensionamento dos elementos passivos (capacitor e indutor), utilizam-se</p><p>as equações (2.5) e (2.6), respectivamente.</p><p>𝐶 = (𝑉in − 𝑉𝑜) × 𝐷</p><p>8 × 𝐿 × Δ𝑉𝑐 × 𝑓 2 . (2.5)</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 16</p><p>e</p><p>𝐿 = (𝑉in − 𝑉𝑜) × 𝐷</p><p>𝑓 × Δ𝐼𝐿</p><p>. (2.6)</p><p>Onde Δ𝐼𝐿 e Δ𝑉𝑐 são o diferencial das amplitudes das oscilações de corrente e</p><p>tensão elétrica, no indutor e capacitor, em relação aos seus valores mínimos e máximos,</p><p>respectivamente. O termo 𝑓 é a frequência de comutação da chave 𝑆.</p><p>Sob o ponto de vista de funcionamento, verifica-se que o conversor buck pode</p><p>operar em três modos diferentes: o modo de condução contínua, onde a corrente elétrica no</p><p>indutor nunca atinge o nível de 0A; o modo de condução descontínua, no qual a corrente</p><p>elétrica atinge 0A e permanece neste valor durante um período de funcionamento do</p><p>conversor; e, terceiro, o modo de condução crítica, no qual a corrente elétrica no indutor</p><p>fica no limiar entre a condução contínua e a descontínua.</p><p>2.2 Chave eletrônica (MOSFET)</p><p>Conforme ilustrado e citado anteriormente, o conversor requer na sua estrutura</p><p>uma chave S totalmente controlada. Deste modo, é desejavel a utilização de chaves semi-</p><p>condutores capazes de abrir e fechar em altas frequências. No conversor buck proposto, foi</p><p>utilizado um MOSFET IRF840 (figura 5) de canal N como interruptor. De acordo com o</p><p>datasheet do fabricante, este componente pode operar com até 500V entre dreno e fonte</p><p>e suporta uma corrente de dreno de até 8,5A. Para os conversores CC-CC, o MOSFET</p><p>opera nos estados de corte (interruptor aberto) e saturação (interruptor fechado).</p><p>Figura 5 – Simbologia do MOSFET IRF840</p><p>Fonte: Datasheet do fabricante</p><p>Devido às capacitâncias intrínsecas presentes no componente, resultantes do pro-</p><p>cesso de fabricação, é necessário carregar e descarregar essas capacitâncias para realizar</p><p>a comutação do semicondutor. Para isso, é essencial aplicar uma tensão elétrica entre os</p><p>terminais da porta e fonte (𝑉𝐺𝑆), sendo essa tensão maior que a tensão de limiar (ou</p><p>threshold), que para este modelo de MOSFET é de 4V. Além disso, os tempos de subida</p><p>e descida do componente são de 37 e 36ns, respectivamente.</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 17</p><p>O circuito de controle utilizado para realizar o chaveamento é baseado na modu-</p><p>lação por largura de pulso (PWM), com uma frequência fixa, variando a razão cíclica.</p><p>Para garantir a saturação completa do MOSFET e permitir que ele conduza corrente</p><p>eficientemente, um valor típico de 𝑉𝐺𝑆 é 15V.</p><p>2.3 Modulação por Largura de Pulso - PWM</p><p>A modulação por largura de pulso é uma técnica que permite controlar a quan-</p><p>tidade de energia fornecida a um componente ou circuito específico. Isso é alcançado ao</p><p>variar o tempo durante o qual o sinal PWM permanece em nível alto, enquanto mantém o</p><p>valor do período fixo. Essa variação determina o valor da razão cíclica (𝐷), que é definido</p><p>pela relação entre esse tempo em nível alto pelo tempo total do sinal, ou seja, pelo o</p><p>período PWM. Essa abordagem é interessante porque possibilita a obtenção de diferentes</p><p>tensões elétricas para o mesmo sinal PWM. Usada amplamente na eletrônica de potência,</p><p>o sinal PWM também desempenha um papel essencial nos conversores chaveados.</p><p>O sinal PWM pode ser gerada ao comparar dois sinais por meio de um amplificador</p><p>operacional, por exemplo. Um dos sinais é contínuo ou modulante (em vermelho, conforme</p><p>ilustrado na figura 6), enquanto o outro é uma forma de onda dente de serra ou triangular</p><p>(portadora, em azul na figura 6), que determina a frequência de repetição do sinal PWM.</p><p>Durante a comparação, sempre que o sinal da portadora supera o sinal de referência, o</p><p>amplificador operacional satura para 0V, já que o sinal triangular está conectado à entrada</p><p>inversora do amplificador. Por outro lado, toda vez que o sinal modulante ultrapassa o da</p><p>portadora, o amplificador satura para +𝑉𝑐𝑐, pois está conectado à entrada não inversora.</p><p>É importante notar que a amplitude do sinal modulante determina o ciclo de trabalho. A</p><p>figura 7 ilustra o esquema de circuito bastante utilizado para a geração desse sinal.</p><p>Figura</p><p>6 – PWM</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 18</p><p>Figura 7 – Circuito gerador da PWM</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>A partir de um sinal seguindo este princípio aplicado nos terminais de porta e fonte</p><p>do MOSFET da família MOS, torna-se possível controlar a abertura e o fechamento dessas</p><p>chaves semicondutoras. Uma abordagem bastante comum e mais simples para gerar o sinal</p><p>PWM é por meio de microcontroladores, que, com programação, conseguem implementar</p><p>esse sinal. O sinal PWM pode ser obtido em uma de suas portas de saída com nível alto</p><p>de 3,3 e/ou 5V.</p><p>2.4 Microcontrolador PIC16F877A</p><p>O componente central do projeto é o microcontrolador PIC16F877A da Microchip,</p><p>representado na figura 8. Ele possui 40 pinos bidirecionais (exceto pelos pinos de Mas-</p><p>ter Clear, ou Reset, pinos de alimentação e clock), ou seja de entrada e saída de sinal,</p><p>juntamente com os periféricos Timer 0, Timer 1 e Timer 2, além de dois módulos CCP</p><p>(Captura, Comparação e PWM), um conversor analógico-digital de 10 bits e comparado-</p><p>res analógicos. Esse microcontrolador pode operar com uma frequência de clock externo</p><p>de até 20MHz. Além disso, oferece ajustes de pré-escalonador e pós-escalonador. O mi-</p><p>crocontrolador tem a capacidade de gerar um sinal PWM de 8 bits, com uma resolução</p><p>máxima de 10 bits, controlados pelo Timer 2, operando a um nível alto de 5V. Para este</p><p>projeto, a frequência do cristal oscilador 𝐹𝑜𝑠𝑐 escolhida foi 4MHz, e foram utilizados capa-</p><p>citores de 15pF para formar o circuito oscilador, onde esse valor é recomendado na folha</p><p>de dados do fabricante para a frequência escolhida.</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 19</p><p>Figura 8 – PIC16F877A</p><p>Fonte: (Microchip, 2023)</p><p>É importante notar que nesta linha de microcontroladores, o sinal de clock externo</p><p>é dividido internamente por 4. Consequentemente, o ciclo de máquina (𝐶𝑚) é dado pelo</p><p>cálculo a seguir.</p><p>𝐶𝑚 =</p><p>(︂</p><p>𝐹osc</p><p>4</p><p>)︂−1</p><p>= 1𝜇𝑠.</p><p>Ou seja, o microcontrolador executa as instruções a cada 1𝜇𝑠. O período de osci-</p><p>lação do microcontrolador (𝑇osc) é calculado da seguinte forma,</p><p>𝑇osc = 1</p><p>4 × 106 = 250ns.</p><p>O Timer 2 é um temporizador de 8 bits, o que significa que ele pode contar de 0</p><p>a 255 e também pode ser utilizado como base de tempo para o sinal PWM. Para definir</p><p>o pré-escalonador, que é basicamente um divisor de frequência, é suficiente configurar os</p><p>bits 1 a 0 do registrador T2CON, que são os T2CKPS1:T2CKPS0. Isso permite obter um</p><p>pré-escalonador de 1:1, 1:4 ou 1:16. Neste caso, foi escolhido o valor de 1:4, configurando</p><p>o bit T2CKPS1 para 0 e o bit T2CKPS0 para 1. Para o pós-escalonador, é necessário</p><p>configurar os bits TOUTPS3:TOUTPS0. O estouro do Timer 2 pode ser obtido pela</p><p>equação (2.7).</p><p>Estouro Timer 2 = 𝑃𝑅2 × pré-escalonador × ciclo de máquina × pós-escalonador. (2.7)</p><p>O registrador PR2, também de 8 bits, tem a responsabilidade de definir a frequência do</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 20</p><p>sinal PWM gerado, conforme a equação (2.8).</p><p>PWM Period = [(𝑃𝑅2) + 1] × 4 × 𝑇osc × (pré-escalonador do Timer 2). (2.8)</p><p>Além disso, é essencial configurar o ciclo de trabalho para a frequência desejada,</p><p>utilizando a equação (2.9).</p><p>PWM Duty Cycle = (𝐶𝐶𝑃𝑅1𝐿 : 𝐶𝐶𝑃1𝐶𝑂𝑁 < 5 : 4 >) × 𝑇osc × (pré-escalonador).</p><p>(2.9)</p><p>Onde, o conjunto de registradores (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) controlam a razão</p><p>cíclica. Por fim, a variável PWM Duty Cycle é calculado multiplicando-se o valor do ciclo</p><p>de trabalho desejado pelo período da frequência do sinal PWM desejado. Em outras</p><p>palavras,</p><p>PWM Duty Cycle = 𝐷 × PWM Period. (2.10)</p><p>Dessa forma, é possível definir o valor do conjunto de registradores para cada valor</p><p>da razão cíclica correspondente. Assim, como o Timer 2, o Timer 0 também é de 8 bits,</p><p>e o estouro pode ser calculado usando a equação (2.11).</p><p>Estouro Timer 0 = (256 − TMR0) × pré-escalonador do Timer 0 × ciclo de máquina.</p><p>(2.11)</p><p>2.5 Gate Drive</p><p>Conforme explanado em seção anterior, para acionar chaves eletrônicas, como o</p><p>MOSFET, é necessário que haja uma diferença de tensão elétrica entre os terminais da</p><p>porta e a fonte, superior à tensão de limiar. Os microcontroladores PIC podem fornecer</p><p>no máximo 5V em nível alto, o que não é suficiente para acionar o MOSFET. Por esse</p><p>motivo, é preciso utilizar gate drives, responsáveis por garantir um acionamento rápido</p><p>e eficaz do semicondutor. Esses dispositivos amplificam o sinal de baixa potência do</p><p>microcontrolador para um nível alto, geralmente de 15V, tensão comumente utilizada</p><p>para acionar MOSFETs.</p><p>Em certas topologias de conversores, como o buck, o terminal da fonte da chave</p><p>está flutuando em relação à referência do circuito de potência (configuração High-side).</p><p>Nesse caso, não é possível manter um potencial elétrico em 𝑉𝐺𝑆, o que resulta no mau</p><p>funcionamento da chave. Existem técnicas para solucionar esse problema. Uma delas é</p><p>a técnica de bootstrap, que utiliza um capacitor para armazenar e manter a diferença de</p><p>potencial elétrico entre os terminais do MOSFET. Outra solução é usar um gate drive</p><p>isolado, como o HCPL-3180.</p><p>O HCPL-3180 (figura 9) é um gate drive optoacoplado, o que significa que não</p><p>há conexão elétrica direta entre a entrada e a saída. Ele possui alta velocidade, com</p><p>Capítulo 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 21</p><p>uma corrente máxima de saída de 2,5A e pode operar em frequências de até 250kHz.</p><p>Além disso, tem tempos de subida e descida de 25ns. É, altamente eficaz em conversores</p><p>CC-CC, assegurando o acionamento e o bloqueio eficiente do MOSFET.</p><p>Este componente, disponível em um encapsulamento DIP 8, tem o pino 2 (Ânodo)</p><p>como entrada do sinal do microcontrolador, referenciado ao pino 3 (Cátodo). Os pinos</p><p>8 (Vcc) e 5 (VEE) fornecem energia elétrica ao dispositivo, com um valor máximo reco-</p><p>mendado de 20V pelo fabricante. O pino Vo é a saída do pulso de comando amplificado,</p><p>conectado ao pino da porta da chave. O HCPL-3180 possui um LED interno que é ativado</p><p>pelo sinal de entrada quando há fluxo de corrente elétrica. Isso excita o estágio de saída,</p><p>gerando o pulso de comando com valor igual ao da alimentação elétrica do componente.</p><p>É importante observar que a fonte de alimentação precisa ser isolada do conversor, pois</p><p>o pino VEE está interligado ao pino da fonte do MOSFET.</p><p>Figura 9 – HCPL-3180</p><p>Fonte: Datasheet do fabricante</p><p>22</p><p>3 MÓDULO DE POTÊNCIA DO CONVER-</p><p>SOR BUCK</p><p>O módulo de potência do conversor abaixador (figura 10) já havia sido projetado</p><p>anteriormente, faltando apenas o circuito de comando para as chaves. O módulo possui</p><p>duas fontes de alimentação de 34V, duas chaves semicondutoras, dois diodos, quatro</p><p>indutores, dois capacitores e quatro cargas resistivas, sendo duas de 10W e duas de 100W.</p><p>O módulo possui bornes de ligação para permitir a conexão de cada componente de acordo</p><p>com a topologia do conversor e da carga.</p><p>Figura 10 – Módulo de potência do conversor abaixador</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Após os testes de cada componente do módulo, foram realizadas algumas alte-</p><p>rações. A primeira modificação foi a substituição das chaves danificadas por MOSFETs</p><p>IRF840. A segunda alteração foi a troca do indutor do módulo por um com resposta li-</p><p>near, com indutância de 7mH, pois o indutor estava saturando para um determinado valor</p><p>de frequência de chaveamento. Por fim, devido a essa alteração do valor da indutância,</p><p>o capacitor de saída do conversor buck teve que ser projetado novamente para esse valor</p><p>de indutância, bem como, para uma frequência de 10kHz e um ciclo de trabalho de 50%,</p><p>levando em consideração uma oscilação (Δ𝑉𝑐) de 1% da tensão de saída. O cálculo foi</p><p>realizado utilizando a equação (2.5). De acordo com a equação (2.4), o valor da tensão de</p><p>saída para essa razão cíclica é de 17V. Então,</p><p>𝐶 = (34 − 17) × 0, 5</p><p>8 × 7 × 10−3 × 0, 01 × 17 × (10 × 103)2 = 8, 9𝜇𝐹.</p><p>O valor de capacitância comercial mais próximo é de 10𝜇𝐹 e este foi escolhido com</p><p>Capítulo 3. MÓDULO DE POTÊNCIA DO CONVERSOR BUCK 23</p><p>uma tensão elétrica suportada de 100V. A figura 11 ilustra o capacitor soldado na placa</p><p>do conversor (destacado em vermelho).</p><p>Figura 11 – Capacitor de 10𝜇𝐹</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Para esse valor de indutância, a oscilação de corrente elétrica no indutor ( Δ𝐼𝐿) é</p><p>calculada utlizando a equação (2.6).</p><p>Δ𝐼𝐿 = (34 − 17) × 0, 5</p><p>(10 × 103) × (7 × 10−3) = 121, 43 mA.</p><p>24</p><p>4 PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTRO-</p><p>LADOR</p><p>Toda a programação do PIC16F877A foi desenvolvida em linguagem C utilizando</p><p>o software de compilação mikroC PRO for PIC.</p><p>4.1 Bits de Configuração</p><p>Os bits de configuração, ou fuses, do microcontrolador PIC16F877A desempenham</p><p>um papel essencial ao assegurar o funcionamento adequado do dispositivo. Essas configu-</p><p>rações de hardware definem diversos aspectos de seu comportamento, incluindo a frequên-</p><p>cia do oscilador, proteção de código e outros parâmetros. Os fuses foram configurados da</p><p>seguinte forma:</p><p>• Oscillator Selection - este bit é configurado de acordo com a frequência do</p><p>circuito oscilador utilizado. Para este projeto, optou-se pelo XT oscillator, adequado</p><p>para frequências médias, como os 4MHz.</p><p>• Watchdog Timer - a principal finalidade do Watchdog Timer é evitar que o</p><p>sistema entre em estados de mau funcionamento ou fique preso em loops infinitos.</p><p>No entanto, para este projeto, decidiu-se desabilitar esse recurso.</p><p>• Power-up Timer - este bit é importante, pois mantém o microcontrolador em</p><p>estado de reset por 72ms para estabilizar as configurações dos registradores. Foi</p><p>habilitado para este projeto.</p><p>• Brown-out Reset - este bit faz com que o microcontrolador reinicie após uma</p><p>baixa tensão de alimentação, em torno de 4V, quando essa tensão permanece por</p><p>um tempo superior a 100𝜇𝑠. Foi desabilitado para este projeto.</p><p>Os outros bits de configuração, como programação em tensão baixa, proteção de</p><p>código, escrita na memória flash e depuração, foram configurados como desabilitados.</p><p>Essas configurações são ilustradas na figura 12.</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 25</p><p>Figura 12 – Configuração dos fuses</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>4.2 Rotinas do Código</p><p>Em linguagem C, rotinas referem-se a blocos de código que realizam uma tarefa</p><p>específica e que podem ser chamados de outros lugares no programa. Essas rotinas também</p><p>são conhecidas como funções.</p><p>No código do projeto, foram desenvolvidas as funções de leitura de botões da placa</p><p>da interface Homem-Máquina (será apresentada no capítulo 5). Ademais, foi implemen-</p><p>tada uma função para selecionar a frequência do sinal PWM, de modo que o usuário</p><p>possa também variar a razão cíclica do sinal, outra função para ativar o sinal PWM e</p><p>uma terceira para desativá-lo e uma quarta função foi incluída para que se possa proceder</p><p>com a limpeza do display LCD.</p><p>Os botões são lidos periodicamente por meio da interrupção do Timer 0, que ocorre</p><p>a cada 65,536ms. Este é um dos diversos recursos que previnem o efeito de debouncing,</p><p>ou seja, problemas de ruídos e instabilidades que podem surgir quando um botão físico</p><p>(ou chave) é pressionado ou liberado. Este fenômeno acontece devido à oscilação rápida</p><p>do contato físico, gerando múltiplos sinais elétricos transitórios. Essa instabilidade pode</p><p>resultar em erros no projeto, como o efeito de pressionar o botão uma vez e observar duas</p><p>mudanças.</p><p>4.3 Geração do Sinal PWM</p><p>Para gerar o sinal PWM, é necessário inicialmente configurar os bits <3:0> do</p><p>registrador CCP1CON para 11xx, a fim de colocar o módulo CCP em modo PWM. Em</p><p>seguida, deve-se calcular os valores do registrador PR2 de acordo com as frequências</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 26</p><p>desejadas, utilizando a equação (2.8). Outrossim, se faz necessário definir a resolução</p><p>desejada para o sinal PWM. Logo, se deve calcular os valores do conjunto de registradores</p><p>(CCPR1L:CCP1CON<5:4>), utilizando as equações (2.9) e (2.10), e em seguida atribuir</p><p>esses valores via programação. Por fim, é necessário configurar o bit 2 (TMR2ON) do</p><p>registrador T2CON para 1 para ativá-lo e, em seguida, deve-se configurar o registrador</p><p>TRISC para saída digital, colocando seu valor para 0. As seções a seguir informam como</p><p>são feitos esses procedimentos para geração do sinal PWM.</p><p>4.3.1 Cálculo de PR2</p><p>Para o sinal PWM proposto, foram utilizadas frequências de 1, 5, 10, 15 e 20kHz.</p><p>Em seguida, define-se o valor do pré-escalonador do Timer 2, que já foi escolhido como</p><p>1:4. Com esses valores e conhecendo 𝐹𝑜𝑠𝑐 e o valor do pré-escalonador, é possível realizar</p><p>a simplificação da equação (2.8), de maneira que se tem o resultado a seguir,</p><p>𝑃𝑅2 = 4 × 106</p><p>𝑓 × 4 × 4 − 1.</p><p>Para cada frequência desejada no projeto, foram calculados os valores de PR2 e os resul-</p><p>tados são listados na tabela 1.</p><p>Tabela 1 – Valores do registrador PR2 para as frequências desejadas.</p><p>Frequência 1kHz 5kHz 10kHz 15kHz 20kHz</p><p>PR2 249 49 24 15 11</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>4.3.2 Resolução do Sinal PWM</p><p>A resolução do sinal PWM refere-se à precisão com que é possível controlar o</p><p>ciclo de trabalho, expressa em bits, definindo a quantidade de "espaços"em que a razão</p><p>cíclica pode ser dividida. Assim, quanto maior a resolução do sinal, melhor será a precisão,</p><p>permitindo um controle mais efetivo sobre a largura do pulso. A fórmula para correlacionar</p><p>a resolução de 10 bits do sinal PWM com o tempo é:</p><p>Tempo em nível alto = Contagem</p><p>Valor máximo de contagem × Período</p><p>Onde:</p><p>• tempo em nível alto - é o tempo durante o qual o sinal PWM está em nível alto;</p><p>• contagem - é o valor atual da contagem do registrador que controla a razão cíclica</p><p>do sinal PWM (de 0 a 1023, no caso de uma resolução de 10 bits);</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 27</p><p>• valor máximo de contagem - é o valor máximo possível de contagem (1023 para uma</p><p>resolução de 10 bits e por exemplo, 255 para uma resolução de 8 bits);</p><p>• período - é o período total do sinal PWM;</p><p>Por exemplo, para uma contagem de 512, uma resolução de 10 bits e uma frequência de</p><p>1 kHz, pode-se calcular o tempo associado à contagem usando a fórmula de correlação:</p><p>Contagem = 512, Valor máximo contagem = 1023, Período = 1</p><p>Frequência = 0, 001 s</p><p>Substituindo esses valores, obtém-se:</p><p>Tempo = 512</p><p>1023 × 0, 001 s = 0, 0005 s = 500 𝜇s</p><p>Então, para um valor de contagem de 512, resolução de 10 bits e uma frequência</p><p>de, por exemplo, 1 kHz, o tempo durante o qual o sinal PWM estará em nível alto (5V,</p><p>gerado pelo PIC) será 500 𝜇s, ou seja, uma razão cíclica de 0,5, pois 500 𝜇s corresponde a</p><p>50% do período (1ms, para essa frequência) do sinal PWM.</p><p>Para o conversor proposto, essa resolução de 10 bits foi escolhida para se ter um</p><p>melhor controle sobre a tensão elétrica de saída. Para uma frequência de 10kHz, por</p><p>exemplo, essa resolução permite gerar um pulso de 1 𝜇s.</p><p>4.3.3 Cálculo do Conjunto de Registradores (CCPR1L:CCP1CON<5:4>)</p><p>O valor do ciclo de trabalho é controlado escrevendo no registrador CCPR1L,</p><p>que possui 8 bits. Para obter o PWM com resolução máxima de 10 bits, torna-se ne-</p><p>cessário configurar os bits CCP1CON<5:4> para receber os dois bits menos signifi-</p><p>cativos do valor total, ou seja, o registrador CCPR1L recebe os oito bits mais signi-</p><p>ficativos, enquanto CCP1X:CCP1Y recebem os dois bits menos significativos. De iní-</p><p>cio, considerou-se um ciclo de trabalho inicial de 50% para a obtenção dos valores de</p><p>(CCPR1L:CCP1CON<5:4>).</p><p>Para exemplificar como é feito o cálculo do valor do conjunto de registradores,</p><p>utiliza-se a frequência de 1 kHz. Sabendo que o período para essa frequência é de 1 ms, a</p><p>partir das equações (2.9) e (2.10), tem-se os seguintes resultados:</p><p>PWM Duty Cycle = 0, 5 × 0, 001 = 0, 0005.</p><p>Obtendo-se,</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 28</p><p>(CCP1RL : CCP1CON < 5 : 4 >) = 0, 0005</p><p>250 × 10−9 × 4 = 500.</p><p>Portanto, seguindo esses passos, obtém-se os valores de (CCP1RL : CCP1CON <</p><p>5 : 4 >) para cada frequência desejada para o projeto. Esses resultados estão listados na</p><p>tabela 2.</p><p>Tabela 2 – Valores do conjunto de registradores (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) para as</p><p>frequências desejadas e ciclo de trabalho de 50%.</p><p>Frequência 1kHz 5kHz 10kHz 15kHz 20kHz</p><p>CCPR1L:CCP1CON<5:4> 500 100 50 32 24</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>4.3.4 Atribuição dos Valores aos Registradores via Programação</p><p>O conjunto</p><p>de registradores foram nomeados para uma variável chamada "reg"no</p><p>código desenvolvido. Em seguida, no código, utilizando-se de uma estrutura switch case,</p><p>o valor da frequência é selecionado por meio de uma placa de Interface Homem-Máquina</p><p>(IHM). Automaticamente, o algoritmo configura os valores de PR2 e da variável "reg"para</p><p>a frequência selecionada. Dessa maneira, o sinal PWM é iniciada com a frequência esco-</p><p>lhida e um ciclo de trabalho inicial de 50%. O trecho do código a seguir ilustra como essa</p><p>configuração é realizada.</p><p>switch(opcaof) {</p><p>case 1: % carrega o valor de PR2 para escolha da frequência</p><p>PR2 = 249; % PWM_Duty = 50% de valor inicial</p><p>reg = 500; % PWM de 1,5,10,15 e 20kHz</p><p>break;</p><p>case 5:</p><p>PR2 = 49;</p><p>reg = 100;</p><p>break;</p><p>case 10:</p><p>PR2 = 24;</p><p>reg = 50;</p><p>break;</p><p>case 15:</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 29</p><p>PR2 = 15;</p><p>reg = 32;</p><p>break;</p><p>case 20:</p><p>PR2 = 11;</p><p>reg = 24;</p><p>break;</p><p>}</p><p>Após configurar o valor da frequência desejada e carregar o valor de PR2, é necessá-</p><p>rio atribuir o valor do conjunto de registradores calculados anteriormente, de acordo com</p><p>a frequência escolhida. Entretanto, como explicado anteriormente, o registrador CCPR1L</p><p>possui 8 bits (suportando no máximo um valor de 255). Assim sendo, faz-se necessário</p><p>deslocar os bits à direita (’»’) do valor da variável "reg"duas vezes, o equivalente a di-</p><p>vidir por 4. Em seguida, para obter os dois bits menos significativos do valor de "reg"e</p><p>carregá-los em CCP1X e CCP1Y, é necessário realizar uma operação de AND bitwise.</p><p>Ou seja, CCP1Y recebe o bit menos significativo da variável "registrador", e para CCP1X</p><p>atribui-se o segundo bit menos significativo. O trecho de código explicitado no parágrafo</p><p>seguinte mostra como essas atribuições são realizadas.</p><p>registrador = ((PWM_Duty * reg) /50);</p><p>if (registrador < 1023) {</p><p>CCPR1L = registrador >> 2;</p><p>CCP1Y_bit = registrador & 0x0001; // % PWM de 10 bites</p><p>CCP1X_bit = (registrador & 0x0002) >> 1;</p><p>}</p><p>A variável "registrador"é equivalente à variável "reg"para cada frequência e ao valor</p><p>da razão cíclica desejada. A variável responsavel pelo controle do ciclo de trabalho é a</p><p>"PWM_Duty", variando de 0 a 99%. A relação para a variável "registrador"e a variável</p><p>"reg"é encontrada utilizando uma regra de três. Observa-se que 50% de ciclo de trabalho</p><p>mapeia para os valores de "reg"de acordo com a tabela 2 (DeepBlueEmbedded, 2023).</p><p>Portanto, para qualquer valor de ciclo de trabalho e frequência, obtém-se a equação (4.1).</p><p>registrador = PWM_Duty × reg</p><p>50 . (4.1)</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 30</p><p>Essa relação simplifica a atribuição, pois não é mais necessário utilizar as equações</p><p>(2.9) e (2.10) para recalcular o valor do conjunto de registradores para uma razão cíclica</p><p>diferente de 50%.</p><p>É importante ressaltar que os valores de PR2 e (CCPR1L:CCP1CON<5:4>) para</p><p>as frequências de 15 e 20kHz resultaram em valores decimais, sendo necessário ajustá-los</p><p>de maneira a obter frequências próximas do teórico. Esse procedimento se mostra neces-</p><p>sário e foi realizado com o objetivo de também garantir que o valor do ciclo de trabalho</p><p>não ultrapassasse o período do sinal PWM, conforme indicado na nota do datasheet do</p><p>microcontrolador: "Se o valor do ciclo de trabalho do sinal PWM for maior que o período</p><p>do sinal PWM, o pino CCP1 não será limpo."A figura 13 ilustra essa afirmação, pois é</p><p>possível observar que o ciclo de trabalho (Duty Cycle) nunca ultrapassa o valor do período</p><p>do sinal.</p><p>Figura 13 – Saída da PWM</p><p>Fonte: Datasheet do fabricante</p><p>Por outro lado, a resolução máxima do sinal PWM, dado em bits, para uma de-</p><p>terminada frequência é calculada pela equação (4.2).</p><p>Resolução = log(𝐹osc/𝐹PWM)</p><p>log 2 . (4.2)</p><p>Então, para 20kHz tem-se no máximo 7 bits e para 15kHz tem-se 8 bits, de maneira que</p><p>para essas duas frequências a resolução fica um pouco prejudicada em relação as outras</p><p>frequências, de 1 a 10kHz.</p><p>4.3.5 Configurando T2CON</p><p>Como última instrução, é necessário ativar o temporizador, configurando o bit</p><p>TMR2ON do registrador T2CON para 1. Em seguida, deve-se definir o registrador TRISC</p><p>como saída digital, atribuindo-lhe o valor 0. Com essas configurações, o sinal PWM estará</p><p>disponível no pino RC2 do microcontrolador. No diagrama de blocos do sinal PWM (figura</p><p>14), o valor de PR2 é constantemente comparado com o valor de TMR2 até ocorrer uma</p><p>correspondência, indicando o término do ciclo do sinal PWM e o início de um novo ciclo.</p><p>Capítulo 4. PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR 31</p><p>Desse modo, o valor de PR2 desempenha um papel importante ao determinar o período</p><p>de cada ciclo do sinal PWM, controlando a frequência do sinal da saída.</p><p>Figura 14 – Diagrama de blocos da PWM</p><p>Fonte: Datasheet do fabricante</p><p>32</p><p>5 INTERFACE HOMEM-MÁQUINA</p><p>5.1 Placa da IHM</p><p>Para o controle do ciclo de trabalho e a seleção dos valores de frequência de chave-</p><p>amento do MOSFET, foi projetada uma Interface Homem-Máquina (IHM) em uma placa</p><p>de circuito impresso. O objetivo é permitir que o usuário do módulo tenha o controle da</p><p>tensão de saída do conversor. A placa, ilustrada na figura 18, possui botões para a seleção</p><p>da frequência e da razão cíclica, além de um display LCD 16x2 que permite visualizar os</p><p>valores do ciclo de trabalho e da frequência.</p><p>O desenvolvimento dessa placa ocorreu no ambiente do KiCad, um software gra-</p><p>tuito e de interface amigável. A primeira etapa da tarefa se destinou a elaborar o esquema</p><p>do circuito elétrico (figura 15), o qual inclui o display LCD, três botões com seus res-</p><p>pectivos resistores de pull-up, três conectores tipo "banana"para alimentação e fixação da</p><p>placa no módulo, dois pinos (PWM Out e Ref) para possibilitar ao usuário medir o sinal</p><p>PWM com o osciloscópio, não esquecendo de adicionar um barramento de pinos para a</p><p>conexão com a placa que contém o circuito do microcontrolador (Seção 5.2), assim como</p><p>dois LEDs de indicação.</p><p>Capítulo 5. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 33</p><p>Figura 15 – Esquemático da IHM</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Com o esquemático pronto, iniciou-se o desenvolvimento do layout da placa (figura</p><p>16). Nessa etapa, foram criadas as trilhas de cada camada para interligar os componentes,</p><p>além disso, definiu-se a dimensão da placa, serigrafias e, por fim, foram gerados os arquivos</p><p>Gerber. De posse desses arquivos, é possível realizar a fabricação da placa.</p><p>O modelo 3D pode ser visualizado na figura 17. Na figura 18 é possível observar a</p><p>placa com os componentes soldados.</p><p>Capítulo 5. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 34</p><p>Figura 16 – Layout da IHM</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 17 – Modelo 3D da IHM</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 5. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 35</p><p>Figura 18 – Placa da IHM com os componentes</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Na figura 18 observa-se a presença de botões, LEDs e pinos, os quais têm como</p><p>funcionalidades:</p><p>• Botão D/F+ - realiza a seleção da frequência e varia os valores da razão cíclica,</p><p>incrementando esses parâmetros;</p><p>• Botão D/F- - realiza a seleção da frequência e varia os valores da razão cíclica,</p><p>decrementando esses parâmetros;</p><p>• Botão Enter - responsável por iniciar e alterar a função de escolha da frequência</p><p>para o controle do ciclo de trabalho, ativando o sinal PWM;</p><p>• LED verde - indica o funcionamento do módulo;</p><p>• LED vermelho - sinaliza a mudança de função, por exemplo, após a escolha da</p><p>frequência desejada, o usuário deve manter pressionado o botão "Enter "até que esse</p><p>LED realize um piscar, indicando que o usuário deverá soltar o botão e a IHM o</p><p>levará para o ajuste da razão cíclica;</p><p>• Pinos PWM Out e Ref - nesses pinos, a ponta de prova do osciloscópio deve ser</p><p>conectada para medir o sinal PWM;</p><p>5.2 Placa do Microcontrolador</p><p>A placa contendo o microcontrolador foi desenvolvida de maneira a se conectar</p><p>à IHM por meio de um cabo flat. O diagrama esquemático correspondente pode ser ob-</p><p>Capítulo 5. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 36</p><p>servado na figura 19. Neste diagrama, são apresentados o microcontrolador PIC16F877A,</p><p>um barramento de pinos para conexão com a placa da IHM, o gate drive HCPL-3180, o</p><p>circuito oscilador, um LED indicador de alimentação, capacitores</p><p>de desacoplamento de</p><p>poliéster de 100nF, o botão de reset do microcontrolador, resistores e dois conectores (um</p><p>para alimentação do gate drive, e outro para a saída do mesmo, a qual se conecta nos</p><p>terminais da porta e fonte do MOSFET).</p><p>É importante salientar que a alimentação do PIC é realizada por meio do cabo</p><p>flat utilizado para interligar as duas placas. Isso ocorre visto que a alimentação da IHM</p><p>é proveniente dos bornes +5V e GND.</p><p>Figura 19 – Esquemático da placa do microcontrolador</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>O layout, o modelo 3D e a placa com os componentes soldados podem ser visuali-</p><p>zados nas figuras 20, 21 e 22, respectivamente.</p><p>Capítulo 5. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 37</p><p>Figura 20 – Layout da placa do microcontrolador</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 21 – Modelo 3D da placa do microcontrolador</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 22 – Placa do microcontrolador com os componentes</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>5.3 Alimentação Elétrica das Placas e do Conversor</p><p>Para a alimentação elétrica da placa da IHM e da placa do microcontrolador,</p><p>empregou-se uma fonte linear de 5V (destacada em vermelho na figura 23). Para alimentar</p><p>o gate drive, utilizou-se outra fonte linear isolada de 15V (destacada em verde na figura</p><p>23). Por fim, para alimentar o circuito retificador do módulo de potência, responsável por</p><p>fornecer uma tensão contínua de 34V, utilizou-se um transformador de 12 + 12V rms com</p><p>capacidade de fornecer uma corrente elétrica de 3A (destacado em roxo na figura 23).</p><p>Capítulo 5. INTERFACE HOMEM-MÁQUINA 38</p><p>Figura 23 – Fontes de alimentação das placas e do conversor</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>39</p><p>6 ANÁLISE DOS RESULTADOS</p><p>Inicialmente, o circuito do conversor abaixador foi simulado com os valores dos</p><p>componentes passivos calculados no capítulo 3, juntamente com uma carga resistiva de</p><p>100 Ohms. A simulação foi realizada no ambiente do OrCAD Lite, da Cadence Design</p><p>Systems. Em seguida, realizou-se a simulação para verificar se o código em linguagem C</p><p>desenvolvido para o microcontrolador funcionava perfeitamente utilizando-se o programa</p><p>Proteus.</p><p>6.1 Simulação do Conversor buck</p><p>O conversor buck simulado (figura 24) contém os mesmos componentes presentes</p><p>no módulo de potência. Nesta simulação, foram analisadas a tensão de saída para um</p><p>valor de frequência igual a 10kHz e uma razão cíclica de 50%, conforme projetado. Além</p><p>disso, a forma de onda da corrente elétrica do indutor foi analisada para a frequência de</p><p>1kHz, com o objetivo de analisar os modos de condução descontínua e crítico.</p><p>Figura 24 – Esquemático do conversor abaixador para simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Na figura 25 pode ser observada forma de onda da tensão da carga, ou seja, da</p><p>tensão de saída do conversor. Observa-se que o valor médio (sinal em amarelo) de 16,572V</p><p>está próximo do valor teórico para as condições fornecidas de frequência e razão cíclica</p><p>de 50%, conforme calculado anteriormente, o qual seria de 17V. É notável também que o</p><p>valor da oscilação da tensão em relação à tensão média possui um valor de 155,260mV,</p><p>muito próximo de 1% da tensão média, conforme projetado.</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 40</p><p>Figura 25 – Forma de onda da tensão de saída do conversor</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Nessas condições, o conversor opera no modo de condução contínua. Para confirmar</p><p>esse modo de operação, analisou-se a forma de onda no indutor. Na figura 26 pode ser</p><p>observada essa forma de onda, onde se observa que a corrente nunca atinge o nível de</p><p>0A. Além disso, nota-se que a oscilação da corrente elétrica (124,072mA) possui um valor</p><p>bastante próximo ao calculado no capítulo 3.</p><p>Figura 26 – Forma de onda da corrente no indutor na condução contínua</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Para a frequência de chaveamento de 1kHz, é possível analisar o conversor nos</p><p>modos de condução descontínua e crítica. Na figura 27 pode ser observada a forma de onda</p><p>da corrente elétrica no indutor para essa frequência e ciclo de trabalho de 50%. Observa-se</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 41</p><p>que a corrente atinge o valor de 0A e permanece por um período de tempo, caracterizando</p><p>o modo de condução descontínua. Para essa mesma frequência, o conversor mantém esse</p><p>modo de condução até 90% de razão cíclica, e logo acima desse valor, o conversor opera</p><p>no modo de condução crítica, conforme observado na figura 28.</p><p>Figura 27 – Forma de onda da corrente no indutor na condução descontínua</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 28 – Forma de onda da corrente no indutor na condução crítica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>6.2 Simulação do Algoritmo</p><p>A simulação do código em linguagem C desenvolvido para o microcontrolador foi</p><p>realizada no ambiente do Proteus. O circuito foi montado conforme a figura 29.</p><p>Nas figuras 30, 31, 32, 33 e 34 podem ser observadas as frequências disponíveis</p><p>para a seleção, que são 1, 5, 10, 15 e 20kHz, respectivamente. Esses valores são mostrados</p><p>no display.</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 42</p><p>Figura 29 – Circuito montado para simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 30 – Frequência de 1kHz na simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 31 – Frequência de 5kHz na simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 43</p><p>Figura 32 – Frequência de 10kHz na simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 33 – Frequência de 15kHz na simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 34 – Frequência de 20kHz na simulação</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Observa-se nas figuras 35, 36, 37, 38 e 39 sinal PWM medido no osciloscópio</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 44</p><p>do simulador para as frequências de 1, 5, 10, 15 e 20kHz, com 50% de razão cíclica,</p><p>respectivamente. É possível observar que, conforme explicado anteriormente, os valores</p><p>dos períodos das frequências de 15 e 20kHz não são iguais aos teóricos, devido aos valores</p><p>dos registradores.</p><p>Figura 35 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 1kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 36 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 5kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 45</p><p>Figura 37 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 10kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 38 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 15kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 39 – PWM medido no osciloscópio do simulador para 20kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 46</p><p>Com a resolução de 10 bits, obtém-se pulsos com alta precisão, como exemplificado</p><p>por uma razão cíclica de 1% (1 𝜇s) a 10 kHz, conforme observado na figura 40.</p><p>Figura 40 – Pulso com precisão de 1%</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 47</p><p>6.3 Análise dos Resultados no Módulo Didático</p><p>Com o algoritmo simulado e seu funcionamento comprovado, o arquivo foi gra-</p><p>vado no microcontrolador por meio do software PICkit 2, com o auxílio de um gravador</p><p>específico para o PIC. Dessa forma, todas as ligações de alimentação das placas foram</p><p>realizadas, a topologia do conversor buck foi montada e o módulo foi testado. Observa-se</p><p>nas figuras 41, 42, 43, 44 e 45 as opções de frequências disponíveis para seleção, conforme</p><p>os resultados simulados anteriormente.</p><p>Figura 41 – Frequência de 1kHz no módulo</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 42 – Frequência de 5kHz no módulo</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 43 – Frequência de 10kHz no módulo</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 48</p><p>Figura 44 – Frequência de 15kHz no módulo</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 45 – Frequência de 20kHz no módulo</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Nestas condições, os sinais PWM foram medidos com o osciloscópio. É possível</p><p>observar nas figuras 46, 47, 48, 49 e 50 os sinais medidos com um osciloscópio para cada</p><p>uma das frequências citadas e 50% de ciclo de trabalho. Todavia, na figura 51 é observado</p><p>o sinal com um pulso de 1% (1 𝜇s) a uma frequência de 10 kHz, conforme simulado.</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 49</p><p>Figura 46 – PWM de 1kHz e 50% de razão cíclica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 47 – PWM de 5kHz e 50% de razão cíclica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 50</p><p>Figura 48 – PWM de 10kHz</p><p>e 50% de razão cíclica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 49 – PWM de 15kHz e 50% de razão cíclica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 51</p><p>Figura 50 – PWM de 20kHz e 50% de razão cíclica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 51 – PWM de 10kHz com pulso de 1% de razão cíclica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 52</p><p>A etapa seguinte, para ratificar a operacionalidade do sistema conversor foi proce-</p><p>der com a análise da tensão na carga. Essa tensão de saída do conversor foi medida para</p><p>cada frequência e considerando o ciclo de trabalho de 50%, conforme observado nas figuras</p><p>53, 54, 55, 56 e 57. Na figura 52 é possível observar o conversor assim que é energizado,</p><p>aguardando que o usuário pressione o botão "Enter"para selecionar a frequência desejada.</p><p>O multímetro à esquerda realiza a medição da tensão de entrada do conversor, enquanto</p><p>o multímetro à direita mede a tensão de saída.</p><p>Figura 52 – Aguardando pressionar o botão Enter</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Após pressionar o botão "Enter", o sinal de comando é gerado (ver figuras 46 a</p><p>50), e é devidamente condicionado aos valores de 0 a 15V pelo circuito de interface, sendo</p><p>aplicado aos terminais de gatilho e fonte do MOSFET. Assim considerando, para cada</p><p>uma das frequência anteriormente citadas são verificadas as tensões de saída do conversor.</p><p>Na figura 53 é ilustrado o resultado para a frequência de chaveamento de 1kHz. Verifica-</p><p>se que no caso de 1kHz o valor da tensão medida não atende a relação de conversão</p><p>da equação (2.4), pois nessas condições o conversor opera no modo de condução crítica,</p><p>passando a valer a nova relação entre a tensão de entrada e saída do conversor, sendo:</p><p>𝑉0 = 𝑉𝑖 × 2</p><p>1 +</p><p>√︁</p><p>1 + 4𝑘</p><p>𝐷2</p><p>.</p><p>onde 𝑘 = 2𝐿</p><p>𝑅×𝑇𝑠</p><p>.</p><p>Ao analisar as figuras 53 a 57, observa-se que, em condições de carga, a fonte</p><p>não mais tem a tensão de 34V devido à saturação do transformador de alimentação da</p><p>entrada.</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 53</p><p>Figura 53 – Tensão de saída para 1kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>A operação entre 5 e 20kHz permite relação entre tensão de entrada e saída próximo</p><p>de 0,5, como pode ser visto nas figuras 54 a 57. A diferença fica basicamente na condição</p><p>de queda de tensão nas chaves semicondutoras, MOSFET e diodo, quando em estado de</p><p>condução. Conforme explanado, em carga, ocorre uma queda de tensão no valor da tensão</p><p>de entrada em relação ao medido na figura 52. No entanto, ao calcular a razão cíclica com</p><p>os valores medidos, por exemplo, a 10 kHz, da figura 55, utilizando a equação (2.4) tem-se,</p><p>𝐷 = 16, 07</p><p>32, 85 = 0, 49.</p><p>Assim, o resultado está bem próximo do valor teórico, que seria 50%. Continuando</p><p>as medições, obtém-se,</p><p>Figura 54 – Tensão de saída para 5kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 54</p><p>Figura 55 – Tensão de saída para 10kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 56 – Tensão de saída para 15kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 57 – Tensão de saída para 20kHz</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 55</p><p>Por fim, utilizando uma ponta de prova para medir corrente, verificou-se a forma</p><p>de onda da corrente no indutor a 1 kHz. Para esta frequência é possível se proceder com a</p><p>análise do funcionamento do conversor, o modo de condução crítica (figura 58) e o modo</p><p>de condução descontínua (figura 59). Além disso, a corrente também foi medida para a</p><p>frequência de 10 kHz para observar o modo de condução contínua (Figura 60).</p><p>Figura 58 – Forma de onda da corrente no indutor para o modo de condução crítica</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 56</p><p>Figura 59 – Forma de onda da corrente no indutor para o modo de condução descontínua</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 60 – Forma de onda da corrente no indutor para o modo de condução contínua</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Capítulo 6. ANÁLISE DOS RESULTADOS 57</p><p>Observa-se que as formas de onda da corrente elétrica no indutor mensuradas no</p><p>módulo assemelham-se às encontradas na simulação, para cada modo de condução do</p><p>conversor.</p><p>58</p><p>7 TRABALHOS FUTUROS</p><p>Para trabalhos futuros, serão propostos os seguintes pontos:</p><p>• ajuste no código para gerar uma PWM com razão cíclica de 40% a 75% para con-</p><p>trolar um conversor boost. Essa limitação do ciclo de trabalho ocorre porque, se</p><p>for um valor superior aos mencionados, será necessário um transformador com alta</p><p>capacidade de corrente, uma vez que a corrente de entrada do conversor será elevada;</p><p>• realização da montagem de um segundo módulo didático, considerando que a placa</p><p>de potência e todo o circuito de comando já estão prontos;</p><p>• adição do valor da frequência de operação no display na tela de ajuste do ciclo de</p><p>trabalho;</p><p>59</p><p>8 CONCLUSÃO</p><p>O presente trabalho de conclusão de curso teve como objetivo o desenvolvimento</p><p>de um circuito de comando microcontrolado destinado ao acionamento de chaves em</p><p>um módulo didático de um conversor abaixador. O microcontrolador foi programado em</p><p>linguagem C, proporcionando a criação de uma Interface Homem-Máquina. Essa interface</p><p>permite que o usuário, ao utilizar o módulo, possa selecionar a frequência de chaveamento</p><p>e ter controle sobre a razão cíclica do sinal PWM.</p><p>Simulações foram realizadas tanto para o conversor buck quanto para o código, a</p><p>fim de obter uma base de resultados para posterior comparação com os valores práticos.</p><p>Em seguida, procedeu-se à montagem do módulo, incorporando o circuito de comando</p><p>desenvolvido ao módulo de potência do conversor. Por fim, foram analisados os modos de</p><p>condução do conversor buck.</p><p>Os resultados práticos foram comparados com os teóricos, revelando uma seme-</p><p>lhança, o que confirma o funcionamento do circuito projetado. Este módulo didático, por</p><p>sua vez, visa auxiliar os estudantes matriculados na disciplina de Laboratório de Ele-</p><p>trônica de Potência a validar seus resultados teóricos e simulados. A disponibilização do</p><p>módulo permite se ter mais uma ferramenta de auxílio a análise de circuitos conversores</p><p>CC-CC de modo que possa fomentar maior interesse na área, e na disciplina, além de</p><p>proporcionar um aprofundamento no conhecimento dos alunos.</p><p>60</p><p>Referências</p><p>DeepBlueEmbedded. PWM (Pulse Width Modulation). 2023. Disponível em:</p><p><https://deepbluembedded.com/pwm-pulse-width-modulation-tutorial/>. Acesso em:</p><p>8 de Agosto 2023. Citado na página 29.</p><p>HART, D. W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos. [S.l.]: McGraw Hill</p><p>Brasil, 2016. Citado na página 13.</p><p>Microchip. PIC16F877A Product Page. 2023. Disponível em: <https://www.microchip.</p><p>com/enus/product/pic16f877a>. Acesso em: 8 de Agosto 2023. Citado na página 19.</p><p>https://deepbluembedded.com/pwm-pulse-width-modulation-tutorial/</p><p>https://www.microchip.com/enus/ product/pic16f877a</p><p>https://www.microchip.com/enus/ product/pic16f877a</p><p>Apêndices</p><p>62</p><p>APÊNDICE A – Guia de Utilização do</p><p>módulo</p><p>O circuito do conversor buck da figura 61 deve ser montado no módulo (figura 62),</p><p>utilizando os cabos e estabelecendo as conexões dos componentes por meio dos bornes de</p><p>ligação.</p><p>Figura 61 – Conversor buck</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Figura 62 – Módulo de potência do conversor buck</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Uma vez que o conversor estiver montado, os seguintes passos devem ser realizados</p><p>para colocar o módulo em funcionamento e medir as grandezas conforme especificado na</p><p>tabela 3.</p><p>• o módulo deve ser energizado, ativando o botão na lateral do módulo;</p><p>• a primeira mensagem exibida será "LEP", abreviação utilizada no Laboratório de</p><p>Eletrônica de Potência;</p><p>• em seguida, aparecerá a mensagem: "Conversor CC-CC, Press Enter". O usuário</p><p>deve pressionar o botão "Enter"na placa da figura 63;</p><p>APÊNDICE A. Guia de Utilização do módulo 63</p><p>• na etapa seguinte, é necessário selecionar a frequência desejada entre as opções dis-</p><p>poníveis: 1, 5, 10, 15 e 20 kHz, utilizando os botões D/F+ e D/F- para incrementar</p><p>e decrementar esses valores;</p><p>• após a seleção, o usuário deve segurar o botão "Enter"até que o LED vermelho</p><p>pisque, em seguida, deve soltar o botão "Enter";</p><p>• em seguida, deve-se selecionar o valor da razão</p><p>cíclica "D"utilizando os botões D/F+</p><p>e D/F- para incrementar e decrementar, respectivamente;</p><p>• se houver necessidade de alterar a frequência, basta pressionar "Enter"para retornar</p><p>à tela de seleção de frequência;</p><p>• com o osciloscópio deve-se medir o sinal da PWM por meio dos pinos da IHM, que</p><p>são PWM Out e Ref;</p><p>Figura 63 – Placa IHM</p><p>Fonte: Autoria própria</p><p>Agora, é necessário preencher a tabela 2 conforme as instruções. Meça com um</p><p>multímetro a tensão de entrada 𝑉𝑖𝑛 e saída do conversor 𝑉𝑜 para cada frequência, mantendo</p><p>uma razão cíclica de 50%.</p><p>Tabela 3 – Valores de tensão de entrada e saída do conversor para as frequências de cha-</p><p>veamento.</p><p>Frequência 1kHz 5kHz 10kHz 15kHz 20kHz</p><p>Vin</p><p>Vout</p><p>Fonte: Autoria própria.</p><p>De acordo com a relação entre a tensão de entrada e saída do conversor buck, os</p><p>resultados da tabela 3 estão conforme o esperado?</p><p>64</p><p>APÊNDICE B – Código em linguagem C</p><p>desenvolvido para gerar o sinal PWM</p><p>#define butt1 RB1_bit</p><p>#define butt2 RB2_bit</p><p>#define ENTER RB4_bit</p><p>#define led RD0_bit</p><p>#define led2 RD3_bit</p><p>unsigned short opcaof = 0x01, flagLCD = 0x00, flagbutt = 0x00, flagbutt2=0x00 ;</p><p>unsigned char dut[7] , frq[7];</p><p>unsigned cont=0x00, i=0x00 , control=0x00, cont2=0x00;</p><p>unsigned int PWM_Duty=50;</p><p>unsigned int reg=0x00;</p><p>unsigned int registrador=0x00;</p><p>unsigned short flagf=0x00;</p><p>void leiturabutt();</p><p>void freq();</p><p>void dutyc();</p><p>void limpLCD();</p><p>void PWM_on();</p><p>void PWM_off();</p><p>// LCD module connections</p><p>sbit LCD_RS at RD1_bit;</p><p>sbit LCD_EN at RD2_bit;</p><p>sbit LCD_D4 at RD4_bit;</p><p>sbit LCD_D5 at RD5_bit;</p><p>sbit LCD_D6 at RD6_bit;</p><p>sbit LCD_D7 at RD7_bit;</p><p>sbit LCD_RS_Direction at TRISD1_bit;</p><p>sbit LCD_EN_Direction at TRISD2_bit;</p><p>sbit LCD_D4_Direction at TRISD4_bit;</p><p>sbit LCD_D5_Direction at TRISD5_bit;</p><p>sbit LCD_D6_Direction at TRISD6_bit;</p><p>sbit LCD_D7_Direction at TRISD7_bit;</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 65</p><p>void interrupt(){</p><p>if(TMR0IF_bit){</p><p>TMR0IF_bit = 0x00;</p><p>TMR0 = 0x00;</p><p>control++;</p><p>if(control==5){</p><p>control= 0x00;</p><p>led2 = ~ led2;</p><p>}</p><p>if(flagbutt.B0) cont++;</p><p>if(cont==16 && flagbutt.B6){</p><p>cont=0x00;</p><p>flagbutt.B5 = 0x01 ;</p><p>for(i=0;i<5;i++){</p><p>led = ~ led ;</p><p>delay_ms(50);</p><p>}</p><p>led=0x00;</p><p>}</p><p>if(!butt1) flagbutt.B1 = 0x01;</p><p>if(!butt2) flagbutt.B2 = 0x01;</p><p>if(butt1 && flagbutt.B1){</p><p>flagbutt.B1 = 0x00;</p><p>if(flagf.B1 && opcaof==1){</p><p>opcaof+=4;</p><p>}</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 66</p><p>else{</p><p>if(flagf.B1) opcaof+=5;</p><p>if(opcaof>20) opcaof=20;</p><p>}</p><p>}</p><p>if(butt2 && flagbutt.B2){</p><p>flagbutt.B2 = 0x00;</p><p>if(flagf.B1 && opcaof==5){</p><p>opcaof-=4;</p><p>}</p><p>else{</p><p>if(flagf.B1 && opcaof>1) opcaof-=5;</p><p>}</p><p>}</p><p>if(flagbutt2.B1 || flagbutt2.B2) cont2++;</p><p>if(cont2==8){ // conta 0.52 s</p><p>cont2=0x00;</p><p>if(!butt1 && flagbutt.B4){</p><p>if(PWM_Duty<99){</p><p>PWM_Duty++;</p><p>}</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 67</p><p>}</p><p>if(!butt2 && flagbutt.B4){</p><p>if(PWM_Duty>0){</p><p>PWM_Duty--;</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>void main() {</p><p>flagLCD=0x00; // flag de limpeza do LCD</p><p>CMCON = 0x07; // desabilita os comparadores</p><p>TRISB = 0xFF; // Pinos B como input</p><p>PORTB = 0x16; // Pino B1,B2 e B4 em high</p><p>TRISC = 0xFB; // pino RC2 como output para PWM FB</p><p>PORTC = 0x00; // pino C em low</p><p>TRISD = 0x00; // pino D como output</p><p>PORTD = 0x00; // pino D em low</p><p>GIE_bit=0x01; // Habilita interrupçao geral</p><p>PEIE_bit=0x01; // Habilita interrupçao por perifericos</p><p>OPTION_REG=0x87; // timer0 com prescaler 1:256 Resistor de pull-up off</p><p>TMR0IE_bit=0x01; // Timer0 on</p><p>TMR0 = 0x00;</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 68</p><p>CCPR1L=0x00;</p><p>CCP1Y_bit = 0;</p><p>CCP1X_bit= 0;</p><p>T2CON = 0x05 ; // habilita timer2 com prescaler 1:4</p><p>PR2 = 250; // Frquencia inicial em 1kHZ</p><p>TRISA = 0xFF; //PortA como input</p><p>Lcd_Init();</p><p>Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);</p><p>Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);</p><p>Lcd_Chr(1,7,’L’);</p><p>Lcd_Chr_Cp (’E’);</p><p>Lcd_Chr_Cp (’P’);</p><p>delay_ms(1000);</p><p>Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’ ’);</p><p>Lcd_Chr(1,1,’C’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’o’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’n’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’v’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’e’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’r’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’s’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’o’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’r’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’ ’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’C’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’C’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’-’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’C’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’C’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’ ’);</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 69</p><p>Lcd_Chr(2,3,’P’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’r’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’e’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’s’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’s’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’ ’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’E’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’n’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’t’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’e’);</p><p>Lcd_Chr_Cp(’r’);</p><p>while(1){</p><p>leiturabutt();</p><p>}</p><p>}</p><p>void leiturabutt(){</p><p>if(!ENTER){</p><p>flagbutt.B0 = 0x01;</p><p>flagLCD.B1 = 0x01;</p><p>}</p><p>if(ENTER && flagbutt.B0){</p><p>cont = 0x00;</p><p>flagbutt.B0 = 0x00;</p><p>if(!flagbutt.B5){</p><p>freq();</p><p>}</p><p>else {</p><p>dutyc();</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 70</p><p>void freq(){</p><p>PWM_off(); // Pwm desligado</p><p>flagbutt.B4 = 0x00;</p><p>for(i=0;i<5;i++){</p><p>if(cont==16){</p><p>led = ~ led ;</p><p>delay_ms(50);</p><p>}</p><p>}</p><p>led=0x00;</p><p>flagf.B1=0x01;</p><p>limpLCD(); // limpa o LCD 9</p><p>Lcd_Out(1,1,"F(kHz):");</p><p>Lcd_Out(2,1,"Segure Enter");</p><p>while(!flagbutt.B5){</p><p>IntToStr(opcaof,frq);</p><p>Lcd_Out(1,8,frq);</p><p>switch(opcaof){</p><p>case 1 :</p><p>PR2 = 249;</p><p>reg = 500;</p><p>break;</p><p>case 5 :</p><p>PR2 = 49;</p><p>reg = 100;</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 71</p><p>break;</p><p>case 10 :</p><p>PR2 = 24;</p><p>reg = 50;</p><p>break;</p><p>case 15 :</p><p>PR2 = 15;</p><p>reg = 32;</p><p>break;</p><p>case 20 :</p><p>PR2 = 11;</p><p>reg = 24;</p><p>break;</p><p>}</p><p>if(!ENTER){</p><p>flagbutt.B6 =0x01;</p><p>break;</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>void dutyc(){</p><p>flagbutt.B4 = 0x01;</p><p>flagf.B1=0x00;</p><p>flagLCD.B2=0x01;</p><p>limpLCD();</p><p>Lcd_Out(1,1,"D(%):");</p><p>Lcd_Out(2,1,"Enter: Voltar");</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 72</p><p>flagbutt.B1 = 0x00;</p><p>flagbutt.B2 = 0x00;</p><p>while(flagbutt.B5){</p><p>registrador = ((PWM_Duty * reg)/50);</p><p>if((registrador < 1023)){</p><p>CCPR1L = registrador >>2 ;</p><p>CCP1Y_bit = (registrador) & 0x0001;</p><p>CCP1X_bit = (registrador & 0x0002) >> 1;</p><p>}</p><p>PWM_on();</p><p>IntToStr(PWM_Duty,dut);</p><p>Lcd_Out(1,6,dut);</p><p>if(!ENTER) {</p><p>flagbutt=0x00;</p><p>opcaof=0x01;</p><p>break;</p><p>}</p><p>if(!butt1) flagbutt2.B1=0x01;</p><p>if(!butt2) flagbutt2.B2=0x01;</p><p>if(butt1 && flagbutt2.B1){</p><p>cont2=0x00; // evitar deboucing</p><p>flagbutt2.B1=0x00;</p><p>APÊNDICE B. Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM 73</p><p>if(cont2==0){</p><p>if(PWM_Duty<99) PWM_Duty++;</p><p>}</p><p>}</p><p>if(butt2 && flagbutt2.B2){</p><p>cont2=0x00; // evitar deboucing</p><p>flagbutt2.B2=0x00;</p><p>if(cont2==0){</p><p>if(PWM_Duty>0) PWM_Duty--;</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>}</p><p>void limpLCD(){ // Limpeza do LCD</p><p>if(flagLCD.B2 || flagLCD.B1){</p><p>Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);</p><p>flagLCD.B2 = 0x00;</p><p>flagLCD.B1 = 0x00;</p><p>}</p><p>}</p><p>void PWM_off(){</p><p>CCP1M3_bit = 0x00;</p><p>CCP1M2_bit = 0x00;</p><p>}</p><p>void PWM_on(){</p><p>CCP1M3_bit = 0x01;</p><p>CCP1M2_bit = 0x01;</p><p>}</p><p>Folha de aprovação</p><p>Agradecimentos</p><p>Resumo</p><p>Abstract</p><p>Lista de Ilustrações</p><p>Lista de Ilustrações</p><p>Lista de Abreviaturas e Siglas</p><p>Lista de Abreviaturas e Siglas</p><p>Lista de Abreviaturas e Siglas</p><p>Lista de tabelas</p><p>Sumário</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>Objetivos</p><p>FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA</p><p>Conversores CC-CC</p><p>Chave eletrônica (MOSFET)</p><p>Modulação por Largura de Pulso - PWM</p><p>Microcontrolador PIC16F877A</p><p>Gate Drive</p><p>MÓDULO DE POTÊNCIA DO CONVERSOR BUCK</p><p>PROGRAMAÇÃO DO MICROCONTROLADOR</p><p>Bits de Configuração</p><p>Rotinas do Código</p><p>Geração do Sinal PWM</p><p>Cálculo de PR2</p><p>Resolução do Sinal PWM</p><p>Cálculo do Conjunto de Registradores (CCPR1L:CCP1CON<5:4>)</p><p>Atribuição dos Valores aos Registradores via Programação</p><p>Configurando T2CON</p><p>INTERFACE HOMEM-MÁQUINA</p><p>Placa da IHM</p><p>Placa do Microcontrolador</p><p>Alimentação Elétrica das Placas e do Conversor</p><p>ANÁLISE DOS RESULTADOS</p><p>Simulação do Conversor buck</p><p>Simulação do Algoritmo</p><p>Análise dos Resultados no Módulo Didático</p><p>TRABALHOS FUTUROS</p><p>CONCLUSÃO</p><p>Referências</p><p>Apêndices</p><p>Guia de Utilização do módulo</p><p>Código em linguagem C desenvolvido para gerar o sinal PWM</p>