relatorioBoost

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INSTITUTO FEDARAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO CEARÁ 
CAMPUS SOBRAL 
EIXO DE CONTROLE E PROCESSOS INDUSTRIAIS 
CURSO DE TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL 
 
 
 
 
 
 
 
 
FRANCISCO WENDEL DE PAIVA GOMES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CONVERSOR BOOST 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sobral/CE 
02 de agosto de 2017 
2 
 
Sumário 
 
1. Introdução ....................................................................................................................................... 3 
1.1. Conversor Boost .......................................................................................................................... 4 
2. Equacionamento .............................................................................................................................. 5 
3. Parâmetros de projeto ...................................................................................................................... 7 
4. Dimensionamento............................................................................................................................ 8 
5. Componentes utilizados ................................................................................................................ 10 
6. Resultados das simulações ............................................................................................................ 10 
7. Resultados experimentais .............................................................................................................. 13 
8. Conclusão ...................................................................................................................................... 16 
9. Bibliografia ................................................................................................................................... 16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 
1. Introdução 
Uma maneira de converter uma tensão CC em uma tensão menor está ilustrada na fig. 1, 
onde a tensão de saída é dada por: 
 Vo = ILRL (1) 
O conversor da fig. 1 é chamado linear ou regulador, sendo que o transistor funciona 
apenas em sua região linear. 
Fig. 1 Regulador linear básico. 
 
Fonte: Hart (2012) 
 
A conversão de tensão CC com o transistor atuando em sua região linear é ineficiente, 
uma vez que toda a potência que não é absorvida pela carga estará sendo perdida no transistor. 
Um método mais eficiente para conversão CC trata-se do uso do transistor como chave. A fig. 
02 mostra a ação do transistor em sua função de chave. 
Fig.02 Conversor CC-CC chaveado básico; b) Chaveamento equivalente; c) Tensão na saída. 
 
Fonte: Hart (2012) 
 
A tensão CC média na saída é dada pela seguinte expressão: 
 Vo = VsD (2) 
4 
 
A componente CC da tensão na saída é controlada pelo ajuste da taxa de trabalho D, que 
é a fração do período de chaveamento que a chave é fechada. A componente CC da tensão na 
saída será menor ou igual à tensão na entrada para este circuito. 
 
 
D =
ton
ton + toff
= 
ton
T
= tonf 
(3) 
Dentre os conversores CC podemos citar o conversor Boost que converte uma tensão de 
uma determinada amplitude em uma de valor mais alto. 
Neste trabalho será proposto um conversor boost que irá trabalhar com uma faixa de 
tensão (18V – 24V) e mantará uma saída fixa (48V); 
1.1. Conversor Boost 
A figura 3 mostra o conversor boost. Este conversor funciona pelo fechamento a 
abertura ou comutação periódica de uma chave eletrônica. Ele é chamado de boost ou 
elevador, pois sua tensão de saída é maior que a de entrada. 
Fig.03 Conversor Boost CC-CC 
 
Fonte: Hart (2012) 
 
A figura 4 mostra o circuito equivalente para chave fechado do conversor boost. Nesta 
imagem vê-se que o diodo está reversamente polarizado e que a tensão no indutor é mesma da 
fonte. 
Fig. 04 Circuito equivalente para chave fechada 
 
Fonte: Hart (2012) 
5 
 
A figura 5 mostra o circuito equivalente para chave aberta do conversor boost. Nesta 
imagem vê-se o diodo diretamente polarizado e que a tensão sobre o indutor é tensão da fonte 
menos a tensão de saída. 
Fig. 05 Circuito equivalente para chave aberta 
 
Fonte: Hart (2012) 
 
Segundo Hart (2012), a análise do conversor boost supõe o seguinte: 
1. Existem condições de estado estável. 
2. O período de chaveamento é T; a chave é fechada pelo tempo DT e aberta pelo 
tempo (1-D)T. 
3. O indutor funciona no modo de condução contínua (sempre positiva). 
4. O valor do capacitor é bem alto e a tensão na saída é mantida constante em Vo. 
5. Os componentes são ideais. 
2. Equacionamento 
Análise com a chave fechada 
Quando a chave é fechada o diodo é polarizado reversamente. A tensão no indutor será: 
 VL = Vs (4) 
 
A variação na corrente enquanto a chave é fechada é: 
 
(∆iL)fechada = 
𝑉𝑠D
𝐿𝑓
 
(5) 
 
Análise para a chave aberta 
6 
 
Quando a chave é aberta, a corrente no indutor não pode mudar instantaneamente, então 
o diodo fica polarizado diretamente para fornecer um caminho para a corrente no indutor. A 
tensão no indutor quando a chave é aberta é: 
 VL = 𝑉𝑠 − Vo (6) 
 
A variação na corrente no indutor quando a chave é aberta é: 
 
(∆iL)aberta =
(𝑉𝑠 − 𝑉𝑜)(1 − D)T
𝐿
 
(7) 
 
Fig. 06 forma de onda no conversor boost; a) tensão no indutor; b) corrente no indutor; c) corrente no diodo; d) 
corrente. 
 
Fonte: Hart (2012) 
 
A troca líquida de corrente no indutor sobre um período é zero: 
 (∆iL)aberta + (∆iL)fechada = 0 (8) 
 
Utilizando (3) e (4) teremos a seguinte relação, obtendo-se o valor de V𝑜: 
 
Vo = 
Vs
1 − 𝐷
 
(9) 
7 
 
 
A corrente no indutor é igual a corrente de entrada, visto que o indutor está em série 
com a fonte: 
 I𝑠 = IL (10) 
 
Como os componentes do conversor são assumidos como ideais, a potência fornecida 
pela fonte deve ser a mesma potência absorvida pelo resistor de carga: 
 Po = 𝐼𝑜𝑉𝑜 (11) 
 
Po =
Vo
2
R
 
(12) 
 VsIs = VoIo (13) 
 
A variação de corrente máxima e mínima no indutor pode ser calculada como: 
 
∆iLmax = IL + 
∆iL
2
 
(14) 
 
∆iLmin = IL − 
∆iL
2
 
(15) 
 
Assim, com o valor da variação de corrente especificado e com o valor da razão cíclica 
pode-se calcular o valor da indutância: 
 
L = 
𝑉𝑠𝐷
∆iLf
 
(16) 
 
Com os dados da razão cíclica e da indutância pode-se calcular o valor da capacitância: 
 
C =
D
R(∆Vo Vo⁄ )f
 
(17) 
3. Parâmetros de projeto 
A tabela 1 mostra os parâmetros para o projeto do conversor Boost. 
Tabela 1 – Parâmetros do projeto. 
 
8 
 
Frequência de Operação (f) 30000 Hz 
Tensão de entrada mínima (VS_min) 18 V 
Tensão de entrada máxima (VS_max) 24 V 
Tensão de saída (V0) 48 V 
Variação de tensão na saída (∆V) 1 %; 
Variação de Corrente máxima (∆Imax) 30 %; 
Potência de saída (Po) 24 W 
4. Dimensionamento 
A partir de (11) pode ser obtida a corrente de saída do conversor boost. 
𝐼o = 0,5 A 
A partir de (12) pode ser obtida a resistência na carga. 
R = 96 Ω 
A partir de (9) podem ser obtidos os valores da razão cíclica para as tensões de entrada 
máxima e mínima. 
Tensão de entrada de 24 V. 
D = 0,5 
Tensão de entrada de 18 V. 
D = 0,625 
 
A figura 7 mostra as características da razão cíclica do conversor boost para um estado 
de potência constante. Ao analisar-se o gráfico observa-se que, dentre os valores de razão 
cíclica para as diferentes tensões de entrada, como valor crítico tem-se o valor mais próximo 
de 0,333, ou seja, o valor derazão cíclica do pior caso é de 0,5. 
Fig. 7, Curva referente a razão cíclica do conversor boost. 
9 
 
 
Fonte: autor 
Pela análise do gráfico utiliza-se inicialmente a maior tensão para o calculo da 
indutância e consequentemente a menor razão cíclica. 
A partir de (13) pode ser obtida a corrente de entrada e no indutor. 
Is = 1 A 
A partir de (14) e (15) podem ser obtidas a corrente máxima e mínima no indutor para a 
tensão de entrada de 24 V. 
Imax = 1,15 A 
Imin = 0,85 A 
A partir de (16) pode ser obtido o valor da indutância: 
L = 1333,33 uH 
A partir de (17) pode ser obtido o valor da capacitância. 
C = 17,36 uF 
 
Para a construção do indutor utilizou-se a maior indutância, proveniente da maior tensão 
(24 V), e a maior corrente de pico, proveniente da menor tensão (18 V). 
A partir de (13) pode ser obtida a maior corrente no indutor para a tensão de 18 V. 
Is = 1,33 A 
 
A partir de (5) pode ser obtida a variação máxima de corrente no indutor para tensão de 
18 V e sua respectiva razão cíclica, além disto, utilizou-se a maior indutância. 
∆iL = 0,281 A 
 
10 
 
A partir de (14) pode ser obtida a corrente de pico no indutor, utilizando-se a maior 
indutância e a maior corrente. 
I𝑝𝑒𝑎𝑘 = 1,474 A 
5. Componentes utilizados 
A tabela 2 contém os valores dos componentes utilizados no circuito do conversor 
boost. 
Tabela 02 Componentes utilizados no conversor 
 
Nome Dimensionamento 
Capacitor eletrolítico 2200 uF / 63 V 
Capacitor eletrolítico 1000 uF / 50 V 
Capacitor de cerâmica 104 
Capacitor de cerâmica 104 
Resistor de filme de carbono 100 KΩ 
Diogo schottisch 31DQ10 1B 
Indutor núcleo “EE30/14” Ferreti 1333,33 uHz 
MOSFET IRF3205 
6. Resultados das simulações 
A fig. 8 mostra o circuito do conversor Boost, com seus devidos componentes, pelo 
software psim. Nas simulações foram analisados tanto os valores para tensão de entrada de 24 
V quanto para tensão de entrada de 18 V. 
Fig. 08 Circuito do conversor boost. 
 
Fonte: autor. 
 
A Fig. 9 mostra a tensão e a corrente de saída de conversor boost, onde tem-se uma 
tensão média (Vo) de 48 V e uma corrente média (𝐼𝑅1) de 0,5 A, para ambas as tensões de 
entrada. 
11 
 
Fig.9, tensão e corrente de saída. 
 
Fonte: autor 
 
A fig. 10 mostra a tensão no indutor, onde se tem uma tensão ( VL) de 24 V quando a 
chave está fechada e uma tensão(VL) de -24 V quando a chave está aberta para a tensão de 
entrada de 24. Tem-se uma tensão ( VL) de 18 V quando a chave está fechada e uma tensão 
(VL) de -30 V quando a chave está aberta para a tensão de entrada de 18 V. 
Fig. 11 tensão no indutor 
 
Fonte: autor 
A fig.11 mostra a corrente no indutor, onde tem-se, uma corrente média ( I𝑆 = IL) de 1 
A, uma corrente máxima de 1,15 A e uma corrente mínima de 0,85 A para tensão de 24 V. 
Tem-se uma corrente média 1,33 A, uma corrente máxima de 1,47 A e uma corrente mínima 
de 1,19 A para a tensão de entrada de 18 V. 
Fig.11 corrente no indutor e corrente na saída 
12 
 
 
Fonte: autor 
 
A fig. 12 mostra tensão e corrente no diodo, onde tem-se uma tensão de pico 48 V, uma 
tensão média de 23,14 V, uma corrente de pico de 1,15 A e uma corrente média de 0,518 A 
para a tensão de entrada de 24 V para a tensão de entrada de 24 V. 
Fig.12 tensão e corrente no diodo. 
 
Fonte: autor 
 
A fig.13, mostra a tensão e a corrente no mosfet, onde tem-se um tensão máxima de 48 
V, uma tensão média de 22,92 V, uma corrente máxima de 1,15 A e uma corrente média de 
0,522 A para a tensão de entrada para a tensão de entrada de 24 V. 
Fig. 13 tensão e corrente no diodo. 
13 
 
 
Fonte: autor 
7. Resultados experimentais 
A tabela 3 mostra os instrumentos e suas especificações, utilizados para análise das 
formas de onda e das variáveis do conversor Boost. 
Tabela 03, materiais utilizados na medição das variáveis e formas de onda do indutor. 
 
Materiais Especificações 
Gerador de função Tektronix AFG 2021-BR 
Amplificador de sonda de corrente Tektronix TCPA300 
Sonda de corrente Tektronix TCP312A 
Osciloscópio Tektronix MSO 2012 
Fonte CC Iminipa MPL-3305M 
 
A figura 14 mostra a tensão e corrente de saída do conversor boost, onde tem-se uma 
tensão média de 47,7 V e uma corrente média de 0,526 A para tensão de entrada de 24 V. 
Tem-se uma tensão média de 46,7 V e uma corrente média de 0,512 A para tensão de entrada 
de 18 V. 
Fig. 14 tensão e corrente de saída do conversor boost. 
14 
 
 
Fonte: autor 
 
A fig. 15 mostra a tensão e corrente no indutor, onde tem-se uma tensão máxima de 24 
V, uma tensão mínima de -24,8 V, uma corrente máxima de 1,22 A e uma corrente média de 
1,04 A para a tensão de entrada de 24 V. Tem-se uma tensão máxima de 17,2 V, uma tensão 
mínima de -30 V, uma corrente máxima de 1,54 A e uma corrente média de 1,12 A para a 
tensão de entrada de 18 V. 
Fig. 15 Tensão e corrente no indutor. 
 
Fonte: autor 
 
A fig. 16 mostra tensão e corrente no diodo. Tem-se uma tensão máxima de 48 V, uma 
tensão média de 24,3 V, uma corrente média de 0,523 A e uma corrente máxima de 1,14 A 
para a tensão de entrada de 24 V. 
Fig. 21 Tensão e corrente no diodo. 
 
15 
 
 
Fonte: autor 
 
A fig. 17 mostra a tensão e a corrente no mosfet. Tem-se uma tensão máxima de 47,6 V, 
uma tensão média de 22,8V, uma corrente máxima de 1,09 A, uma corrente mínima de 0,03 A 
e uma corrente média de 0,533 A. 
Fig. 17 Tensão e corrente no indutor. 
 
Fonte: autor 
 
A fig.16 mostra circuito proposto para o conversor Boost. 
Fig. 16 Conversor boost. 
 
Fonte: autor 
16 
 
8. Conclusão 
Pela análise dos variáveis por simulações pode-se observar valores próximos dos reais, 
uma vez que tanto nas simulações quanto nos cálculos trabalha-se com dados perfeitos. A 
observação dos dados obtidos por experimentos mostrou que o conversor estava agindo 
corretamente tendo apenas algumas perdas por resistência do indutor. Obteve-se uma tensão 
de saída de 47,7 V para uma entrada de 24 V, ou seja, obtendo-se perdas de 0,625%. 
Enquanto para a tensão de entrada de 18 V, obteve-se uma saída de 46,7 %, obtendo-se perdas 
de 2,7%. 
9. Bibliografia 
Hart, D. W. (2012). Eletrônica de Potência: análise e projetos de circuitos. Porto 
Alegre: AMGH.