TRABALHO POTÊNCIA 1 Acionamento de carga com controle PWM(1)

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Eletrônica de Potência I – 2014 
 
 
 
CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS 
ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO 
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ACIONAMENTO DE CARGA COM CONTROLE PWM 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Grupo: Egediel Lucas Ferreira 
Jéferson Luís Werle 
 
 
Lajeado, junho de 2014. 
 
Eletrônica de Potência I – 2014 
 
1 INTRODUÇÃO 
O objetivo deste projeto é construir um circuito de acionamento de carga com 
controle PWM (Pulse Width Modulation) com o uso de amplificadores operacionais. É 
um circuito projetado para controlar uma carga, que será chaveada por um transistor de 
efeito de campo, o MOSFET. 
 Este trabalho também tem como objetivo mostrar através de comparações de 
cálculos teóricos e simulações feitas no programa multisim, como é possível projetar, 
montar e fazer o acionamento de carga com controle PWM, utilizando uma tensão e 
uma corrente muito baixas para controlar uma carga com corrente mais elevada. O 
circuito PWM será usado para controlar a tensão aplicada na carga. Será visto como 
calcular os valores mais adequados de resistores, levando em conta a relação entre eles 
para se obter o ganho desejado. 
 
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 
Nesses tópicos não serão abordados mais detalhadamente componentes básicos, 
como resistores, capacitores, diodos e potenciômetros, pois o principal objetivo desse 
trabalho é saber como funcionam os amplificadores operacionais, e os transistores 
MOSFETs. 
Amplificador Operacional 
Um amplificador operacional é um amplificador multiestágio com entrada 
diferencial cujas características se aproximam das de um amplificador ideal, que são: 
- Impedância de entrada infinita; 
- Impedância de saída nula; 
- Ganho de tensão infinito; 
- Resposta de frequência infinita; 
- Insensibilidade à temperatura 
Como já citado, é um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois 
terminais de entrada: um terminal designado por terminal inversor(-) e o outro 
identificado por terminal não inversor(+). A tensão de saída é a diferença entre as 
entradas + e -, multiplicado pelo ganho em malha aberta: 
 
A saída do amplificador pode ser única ou diferencial, o que é menos comum. Os 
circuitos que utilizam amp ops frequentemente utilizam a realimentação 
negativa (negative feedback). Porque devido ao seu ganho elevado, o 
comportamento destes amplificadores é quase totalmente determinado pelos 
elementos de realimentação. 
 
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Amplificadores operacionais 
Em circuitos, o amplificador operacional é representado pela figura abaixo. 
 
 Representação 
- V- é a entrada inversora; 
- V+ é a entrada não-inversora; 
- Vout é a saída; 
 Nesse trabalho foi utilizado o amplificador operacional MC1458, que é um 
amplificador operacional duplo, de elevado desempenho destinado a uma ampla gama 
de aplicações analógicas: 
 somador 
 seguidor de tensão 
 integrador 
 filtro ativo 
 gerador de funções 
 
Modulação por largura de pulso (PWM) 
A modulação por largura de pulso (PWM, de "Pulse Width Modulation") é uma 
técnica largamente utilizada para o controle de dispositivos e sinais, desde iluminação e 
acionamento de motores até áudio. Em sua forma mais simples, o PWM implica no 
chaveamento da entrada do circuito (alimentação ou sinal). 
Em um sistema PWM, a chave de estado sólido (normalmente IGBT, MOSFET 
ou transistor bipolar) usada para controlar o fluxo de corrente: ora não conduzindo 
corrente, ora conduzindo, mas provocando uma queda de tensão muito baixa; como a 
potência instantânea dissipada pela chave é o produto da corrente pela tensão elétrica a 
um dado instante, isso significa que nenhuma potência é dissipada se a chave fosse uma 
chave "ideal". Com uma taxa de modulação suficientemente elevada, simples filtros RC 
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são frequentemente utilizados para suavizar o trem de pulsos em uma tensão analógica 
estável. 
Para entender melhor como essa tecnologia funciona, parte-se de um circuito 
imaginário, composto por um interruptor, uma fonte de alimentação 6V, por exemplo, e 
a carga que deve ser controlada. A onda representante da tensão na carga é uma onda 
quadrada, simbolizando o pulso do PWM. 
A vantagem dos circuitos PWM como controladores, quando comparado com os 
circuitos resistivos, é sua eficiência. Neste circuito, as perdas não ultrapassam 2%, 
enquanto em um circuito resistivo as perdas podem totalizar 20% da energia que deveria 
ser destinada à alimentação da carga. Além disso, os potenciômetros usados no PWM 
são menores e controlam uma grande variedade de cargas, ao contrário dos circuitos 
resistivos que são maiores e mais caros. 
 
3 MÉTODOS E MATERIAIS 
 
Procedimento 
O objetivo é de fabricar um circuito de acionamento de carga com controle PWM com 
amplificador operacional, controlando uma carga com o chaveamento de um MOSFET, 
para isso foram usados os seguintes materiais: 
 1 CI lm724 com 4 amplificadores operacionais internos 
 1 resistor de 10KΩ 
 2 resistores de 7KΩ 
 2 resistores de 2.2KΩ 
 1 resistor de 22Ω 
 1 resistor de 22KΩ 
 1multímetro 
 2 capacitores de 100 nF 
 1 transistor mosfet 50m024 
 1 potenciômetro de 470KΩ 
 1 potenciômetro de 10KΩ 
 1 acoplador ótico 
 1 led 
 1 fonte de alimentação (30v/3a) 
 1 placa padrão 5cm x 10cm 
 1 carregador de celular (5,7v/500mA) como fonte de alimentação 
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 O circuito abaixo foi montado no simulador multisim, e depois de analisado no 
simulador, foi montado numa protoboard. Foram feitas medições em várias partes do 
circuito, e só depois disso o circuito foi montado numa placa padrão. 
 
 
 Circuito de acionamento de carga 
 
Para facilitar o entendimento do circuito, será analisado cada estágio separadamente. 
 
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Gerador de ondas triangulares 
 Quando um sinal constante positivo é aplicado em um capacitor, ele produz uma 
rampa linear descendente, se o sinal for constante e negativo, a rampa será ascendente. 
Essa inversão ocorre devido ao circuito integrador inversor que é colocado na saída de 
um gerador de onda quadrada. 
 
 
 
A frequência de oscilação de saída da onda triangular depende da oscilação de 
entrada (sinal retangular), ou seja, a frequência é a mesma. Tanto a frequência da onda 
quadrada quanto à triangular se dá por: 
𝑓 = 
𝑅2
4. 𝑅1. 𝐶. (𝑃2 + 𝑅)
 
 
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R1, R2 e C foram atribuídos: R1 = 10 KΩ R2 = 22 KΩ C = 200nF 
 
O valor de R foi atribuído para limitar a frequência quando o potenciômetro estiver no 
seu valor mínimo. 
R = 2,2 KΩ 
1100 = 
22𝐾
4.10𝐾. 200𝑛. (0 + 𝑅)
 
𝑅 = 
22𝐾
4.10𝐾. 200𝑛. 1100
 
𝑅 = 2500 Ω 
 
O resistor R usado foi o de 2,2 KΩ. 
 
O potenciômetro P2 foi calculado para se obter uma frequência entre 6 Hz e 1100 Hz: 
 
Frequência mínima 1100 Hz. 
 
6 = 
22𝐾
4.10𝐾. 200𝑛. (𝑃2 + 2,2K)
 
 
(𝑃2 + 2,2K) = 
22𝐾
4.10𝐾. 200𝑛. 6
 
 
(𝑃2 + 2,2K) = 
22𝐾
0,048
 
𝑃2 = 458333 − 2200 
𝑃2 = 456133 Ω 
Potenciômetro usado foi de 470 KΩ. 
 
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Circuito comparador 
 
 Um comparador de tensão é um amplificador operacional de alto ganho ligado 
de forma a comparar uma tensão de entrada com uma tensão de referência. 
A saída estará no nível alto ou baixo, conforme a tensão de entrada for maior ou menor 
que a tensão de referência. 
 
 
 
 O potenciêmetro de 10 KΩ teve seu valor atribuído, e R3 e R5 foram atribuídos 
para que o PWM chegasse na saturação e no corte 
 É aqui que acontece o PWM, o sinal da onda triangular entra no pino negativo, e 
o sinal do circuito amplificador subtrator entra no pino positivo. A onda resultante é 
uma onda retangular. Quando a referência que entra no pino positivo se move, muda a 
largura do pulso da saída do comparador. Se a referência estiver no alto da onda 
triangular, a onda retangular resultante terá seus picos mais estreitos e seus vales mais 
largos. Se a referência estiver mais abaixo da onda triangular, a onda retangular 
resultante terá seus picos mais largos e seus vales mais estreitos. 
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Referência no nível baixo Referência no nível alto 
 
 
 
Acionamento da carga 
 
 
O acoplador ótico serve para isolar o circuito de PWM do circuito de 
acionamento, para proteger os amplificadores de qualquer sobrecarga. 
O transistor mosfet serve para fazer o chaveamento da tensão, abrindo e 
fechando sempre que necessário. 
O led indica como está o PWM, se está no nível alto ou no nível baixo, variando 
o tempo em que fica aceso de acordo com o PWM. 
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4 RESULTADOS 
 
 
Gráfico onda triangular 
 
 
 
 
Gráfico mostrando o PWM 
 
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5 CONCLUSÃO 
 
 O projeto foi de grande importância para ganhar conhecimento sobre 
acionamento de carga com amplificadores operacionais e de como controlar a tensão 
pela modulação de largura de pulso, o PWM, e de como é simples mas também útil a 
sua utilização. Foi adquirido um conhecimento sobre amplificadores e MOSFETs que 
com certeza será útil para novos projetos. Ao analisar os resultados calculados, do 
simulador Multisim e os valores da prática, conclui-se que é simples projetar e construir 
um circuito de acionamento de carga com controle PWM com amplificadores 
operacionais e um MOSFET, pois os valores teórios são parecidos com os valores 
práticos, e os componentes para a construção do circuito são bem acessíveis para quem 
quiser construí-la. 
 
6 BIBLIOGRAFIA 
 
BOYLESTAD, NASHELSKY. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. LTC 
http://eletronicos.hsw.uol.com.br/capacitor.htm 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional 
https://mail.google.com/mail/u/0/?ui=2&ik=699fed3a1d&view=att&th=142c5fd29b883
259&attid=0.1&disp=inline&realattid=f_houvxe2r0&safe=1&zw 
http://www.labdegaragem.org/loja/media/catalog/product/cache/1/image/9df78eab3352
5d08d6e5fb8d27136e95/i/m/image_341.jpg 
http://www2.feg.unesp.br/Home/PaginasPessoais/ProfMarceloWendling/3---
amplificadores-operacionais-v2.0.pdf 
http://www.sabereletronica.com.br/artigos/1464-aplicaes-para-comparadores-de-tenso