Projeto Conversor FlayBack

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CONVERSOR FLYBACK
Carla Ap. Magrinelli
Engenharia Ele´trica
Unoesc - Joac¸aba
E-mail: carla@mfmateriaiseletricos.com.br
Camila Fernanda Trindade
Engenharia Ele´trica
Unoesc - Joac¸aba
Email:camyla.trindade@hotmail.com
Thais Spuldaro
Engenharia Ele´trica
Unoesc - Joac¸aba
Email:thaisspuldaro12@gmail.com
I. Introduc¸a˜o
O seguinte artigo tem como finalidade apresentar o projeto
de um conversor CC Flyback. O conversor proposto possui
uma entrada em tensa˜o alternada de 12V e uma saı´da desejada
de 60V. Atrave´s da literatura obtida, foram realizados ca´lculos
e dimensionado o indutor e outros componentes que foram
utilizados. Tambe´m foi usado um software de simulac¸a˜o para
poder ter uma pre´via da resposta do sistema. Apo´s ser feito
toda a parte teo´rica, iniciou-se a montagem do conversor,
primeiramente em uma protoboard para testar o indutor e os
demais elementos. Sendo garantido o funcionamento deste,
passou-se para uma placa de cobre, e enta˜o foram realizados
os ajustes e testes necessa´rios para se obter uma saı´da muito
pro´xima a desejada.
II. Fundamentac¸a˜o Teo´rica
O conversor flyback e´ um conversor que possui isolac¸a˜o
galvaˆnica, usado em aplicac¸o˜es onde ha´ essa necessidade de
isolar as fontes e ter altos ganhos de tensa˜o (SCORTEGAGNA,
2015, p.25 apud DREHER et al., 2012).
Este conversor pode operar como abaixador ou elevador de
tensa˜o, seu ganho esta´tico e´ definido pela relac¸a˜o de espiras
do indutor e a raza˜o cı´clica. (SCORTEGAGNA, 2015, p.25)
O ganho esta´tico do conversor flyback operando no modo
de conduc¸a˜o contı´nua e´ dado pela equac¸a˜o abaixo.
M =
D
1 − D .
Ns
N p
(1)
Onde:
M = Ganho esta´tico ou ganho de tensa˜o do conversor.
D = Raza˜o Cı´lica.
Np = Nu´mero de espiras do prima´rio.
Ns = Nu´mero de espiras do secunda´rio.
Scortegagna(2015, p.25 apud BARBI, 2012) descreve que
as principais caracterı´sticas do conversor flyback sa˜o:
• Baixo custo de produc¸a˜o.
• Possibilidade de ter mais que uma saı´da.
• Possibilita uma grande variac¸a˜o de resisteˆncia de carga.
• Isola a entrada da saı´da.
• Ra´pido tempo de resposta.
O conversor flyback pode operar tanto no modo de conduc¸a˜o
contı´nua quanto no modo de conduc¸a˜o descontinua.
A figura 1 demostra a estrutura de um conversor Flayback.
Figura 1. Estrura conversor Flyback
A. Conversor Flyback no modo de conduc¸a˜o contı´nua - CCM
No modo de conduc¸a˜o contı´nua pode-se dividir o funcio-
namento do conversor em duas etapas, quando a chave esta´
fechada e quando esta´ aberta.
Considerando que o circuito esta´ operando em regime,
conforme Petry(2001, p.11) quando a chave fecha a indutaˆncia
do prima´rio e´ magnetizada, e por consequeˆncia o diodo e´
polarizado inversamente, impedindo que circule corrente no
secunda´rio.
Como resultado a indutaˆncia de magnetizac¸a˜o Lm armazena
a energia. E a tensa˜o de saı´da Vo e´ a energia contida no
Capacitor C.
A figura 2 demonstra o funcionamento do circuito com a
chave fechada.
Figura 2. Etapa 01 - Chave fechada
Ainda segundo Petry(2001, p.11) quando a chave e´ aberta,
a energia que estava armazenada em Lm e´ transferida para o
secunda´rio, o diodo esta´ polarizado diretamente, permitindo
a passagem de corrente e enta˜o uma parte dessa energia e´
transmitida para o capacitor C e parte segue para carga R.
Na figura 3 podemos visualizar o funcionamento do circuito
quando a chave esta´ aberta.
Figura 3. Etapa 02 - Chave aberta
B. Conversor Flyback no modo de conduc¸a˜o descontı´nua -
DCM
As mesmas considerac¸o˜es feitas para o modo CCM podem
ser feitas para o modo DCM, pore´m de acordo com Scorte-
gagna(2015, p.27) no momento em que a chave esta´ aberta, a
energia que estava contida em Lm e´ totalmente transferida ao
secunda´rio, chegando a zero. Na figura 4 podemos entender o
funcionamento do modo DCM.
Figura 4. Conversor Flybck operando no modo DCM
III. DIMENSIONAMENTO DO CONVERSOR
Para o dimensionamento do conversor foram estipulados
alguns dados como:
• Tensa˜o de entrada em CA (Vin): 12[V]
• Tensa˜o de saı´da (Vout): 60[V]
• Freqeˆncia de chaveamento(fs) : 35[kHz]
• Poteˆncia de saı´da (Pout): 15[W]
Para facilitar os ca´lculos do conversor foi utilizado o
software MathCad, as principais equac¸a˜oes utilizadas sa˜o
mostradas a seguir.
Lm =
1
2
.
Vin2.D2.η
f s.Pout
[µH] (2)
Onde:
Lm = Indutaˆncia de Magnetizac¸a˜o [µH]
D = Raza˜o Cı´clica.
Vin = Tensa˜o de entrada [V].
fs = Frequeˆncia [Hz].
Pout = Poteˆncia de saı´da [W].
Para o dimensionamento do nu´cleo magne´tico foram utili-
zados os seguintes dados:
• Densidade de fluxo ma´ximo (B): 0,2[T]
• Densidade de corrente ma´xima (Jmax): 350[A/cm2]
• Fator de ocupac¸a˜o da janela (kw): 0,5
• Fator de ocupac¸a˜o do prima´rio (kp): 0,3
• Frequeˆncia de chaveamento (fs): 35 [kHz
• Rendimento (η): 0,9
AeAw =
0, 774.Pout
kw.kp.B.Jmax. f s.η
[cm4] (3)
Atrave´s do ca´lculo de AeAw, foi possivel dimensionarmos
o nu´cleo magnetico por meio dos dados apresentados pelo
cata´lago de um fabricante.
Apo´s ser especificado o nu´cleo pode-se calcular o valor
do entreferro (ζ) e o valor da corrente de pico no primario
(InpkN s)atrave´s das equac¸a˜o a seguir.
ζ =
2.µo.Pout
B2.Ae.η. f s
[mm] (4)
Onde:
ζ= Entreferro ou Gap.
Ae= A´rea efetiva da sec¸a˜o transversal do nu´cleo.
InpkN p =
2.Pout
Vin.D.η
[A] (5)
Onde:
InpkN p = Corrente de pico no prima´rio
Atrave´s dos dados obtidos com as equac¸a˜oes anteriores foi
possivel calcularmos o nu´mero de espiras do prima´rio e do
secunda´rio, conforme equac¸o˜es a seguir.
N p =
B.ζ
µo.InpkN p
(6)
Ns =
(N p.(Vout + VD))
Vin
.
(1 − D)
D
(7)
Onde:
Np= Nu´mero de condutores do prima´rio.
Ns= Nu´mero de condutores do secunda´rio.
VD= Queda de tensa˜o do diodo.
O Capacitor mı´nimo de saı´da do conversor foi especificado
atraves da equuac¸a˜o abaixo.
C =
Vout.D
R.∆Vout. f s
[µF] (8)
Os principais resultados obtidos com o dimensionamento do
conversor foram:
• Tensa˜o de saı´da(Vout): 60V
• Carga (R): 240Ω
• Indutaˆncia de magnetizac¸a˜o (Lm): 61,714µH
• Nu´mero de espiras do prima´rio (Np): 21
• Nu´mero de espiras do secunda´rio (Ns): 76
• Raza˜o cı´clica (D): 0,5
• Nu´cleo: 30/15/17
• Capacitor (C): 22µF
• Entreferro (ζ): 0,5mm
• Fio do prima´rio: 22AWG
• Fio do secunda´rio: 24AWG
IV. SIMULAC¸A˜O DO CONVERSOR
Apo´s o dimensionamento do indutor, foi simulado o circuito
no software PSIM, primeiramente considerou-se o circuito
ideal, sem as irregularidades dos componentes. Logo apo´s, a
partir do datasheet dos componentes escolhidos foram adici-
onados as na˜o linearidades e observado o comportamento do
circuito, como e´ demonstrado nos gra´ficos a seguir.
Para acionamento do MOSFET utilizamos o drive conforme
esquema´tico da figura 5.
Figura 5. Esquema´tico Drive Mosfet
A figura 6 representa o esquema´tico do conversor Flayback.
Figura 6. Esquema´tico do conversor Flyback
Para gerac¸a˜o do PWM e controle da tensa˜o de saı´da
escolheu-se o microcontrolador 16F877A.
N figura 7, pode-se observar as formas de onda dos pinos
VDS e VGS.
Figura 7.
Na figura 8 podemos observar a simulac¸a˜o da tensa˜o de
saı´da do conversor.
Figura 8. Simulac¸a˜o - Tensa˜o de saı´da
V. MONTAGEM DO CONVERSOR
Ja´ tendo todos os componentes separados, a princı´pio foi
montado o circuito em uma protoboard, chegando-se enta˜o
na resposta desejada de uma saı´da de 60V. Confirmado o
resultado e a efica´cia do indutor montado, deu-se inı´cio a
confecc¸a˜o da placa de circuito no software Eagle.
Optou-se por ser feito duas placas, uma para o conversor
Flyback e outra para o drive de acionamento do mosfet, para
que na˜o houvesse problemas de interfereˆncia causados pela
indutaˆncia. Nas figuras 9 e 10 pode-se observar os layout das
placas desenvolvidas no software.
Figura9.
Figura 10.
Apo´s serem passados os circuitos para as placas, soldamos
os componentes e testamos as placas separamente, na figura
11 pode-se visualizar a placa do conversor e na figura 12 a
placa do drive.
Figura 11.
Figura 12.
Sendo a entrada 12V RMS alternados, para o funcionamento
do conversor foi necessa´rio utilizamos um transformador de
220V-12V e enta˜o retificar. Optou-se por utilizar um retificador
de onda complete com filtro capacitivo.
Por meio dos ca´lculos efetuados foi necessa´rio construir
o indutor que atingisse os valores calculados de indutaˆncia
magnetizante e relac¸a˜o de transformac¸a˜o para o perfeito fun-
cionamento.
Para realimentac¸a˜o do circuito de controle utilizou-se um
divisor de tensa˜o resistivo.
Na figura 13 pode-se visualizar o projeto completo,
com o transformador de 220-12V, a placa do conversor, a
placa do drive de acionamento do MOSFET e a placa do
microcontrolador, responsa´vel por gerar o PWM.
Figura 13. Projeto completo
VI. RESULTADOS
Com o circuito montado foram feitas medidas de tensa˜o
com o uso do oscilosco´pio para comprovar o funcionamento
do conversor.
A figura 14 monstra tensa˜o de saı´da do trafo.
Figura 14. Tensa˜o de saı´da do trafo
A figura 15 mostra a tensa˜o apo´s o retificador.
Figura 15. Tensa˜o apo´s a retificac¸a˜o
A figura 16 mostra a tesa˜o enviada para o controle.
Figura 16.
Na figura 17 pode-se observar em azul a tensa˜o medida no
VGS (Gate) e a tensa˜o VDS (Dreno) em amarelo.
Figura 17.
O sinal de saı´da do conversor esta´ demonstrado na figura 18,
onde podemos visualizar tambe´m a tensa˜o de ripple (variac¸a˜o
de tensa˜o).
Com o auxilio do Analizador de Poteˆncia YOKOGAWA
WT500 foi possivel medir o rendimento do conversor, os
resultados obtidos esta˜o demonstrados na figura 15.
Figura 18.
Figura 19.
VII. CONCLUSA˜O
Pela observac¸a˜o dos aspectos mencionados pode-se dizer
que foi obtido eˆxito na confecc¸a˜o do conversor flyback. As
respostas obtidas para o circuito demonstram que as na˜o
linearidades dos componentes causam distorc¸o˜es nas formas
de onda obtidas no experimento.
A saı´da do conversor se mantem em aproximadamente 60V
devido a relac¸a˜o de espiras na˜o ser completamente similar aos
ca´lculos feitos.
Refereˆncias
[1] H. Kopka and P. W. Daly, A Guide to LATEX, 3rd ed. Harlow, England:
Addison-Wesley, 1999.