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Projeto e desenvolvimento de um conversor Boost microcontrolado Igor Baumbach; Lucas Müller; Sérgio Dias Disciplina de Sistemas Digitais Aplicado e Eletrônica de Potência Curso de Engenharia de Energias Renováveis e Ambiente Universidade Federal do Pampa – Unipampa, Bagé - RS - Brasil Prof. Dr. Jocemar Parrizzi Email:
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1- Introdução Conversores CC-CC são circuitos elétricos formados por semicondutores de potencia operando como interruptores e outros elementos passivos (diodos, indutores, entre outros). Estes, tem como objetivo controlar o fluxo de energias entre dois sistemas de corrente continua [1], com o máximo de estabilidade e eficiência. Neste trabalho, buscamos realizar o desenvolvimento de um conversor Boost microcrontrolado utilizando a técnica de PWM, capaz de fornecer uma saída de tensão estável de 24V com variação de ΔV igual a 2%. A técnica de PWM, modulação por largura de pulso, para gerar o ciclo de trabalho, onde é gerada uma onda quadrada. O duty deveria se ajustar as variações impostas ao valor de Vref e Vout para que nosso valor de tensão de saída fosse mantido em uma margem de potencial esperado. 2- Conversor Boost O conversor Boost, representado na Figura 1, é um conversor elevador de tensão pertencente a classe dos choppers [2] (conversores CC-CC), sendo empregados principalmente em fontes de alimentação. Na figura, esta devidamente representado por Vin a fonte do sistema, CH a chave MOSFET, D que sera o diodo, C que será o capacitor, L o indutor e uma carga (R) com tensão Vs.
Figura 1– Representação do Conversor elevedor de tensão Boost
Este circuito conversor possui duas etapas de funcionamento, podendo ser em modo continuo ou descontinuo. A 1ª etapa inicia-se quando o transistor entra em condução e o indutor é alimentado pela fonte fechando o circuito através do próprio transistor. A 2ª etapa começa com o desligamento do transistor, fazendo com que a corrente agora faça o caminho restante do circuito passando pelo diodo e consequentemente carregando o capacitor e alimentando a carga. Os modos de operação, que possuem suas formas de onda demonstrados na Figura 2, são definidos durante a 2ª etapa do funcionamento do conversor. Nesta etapa o indutor deve repassar a energia armazenada para o restante do circuito. Caso a corrente no indutor chegue a zero durante este período diz-se que o conversor esta operando em modo descontinuo, se não em modo continuo.
Figura 2 – Formas de ondas típicas do conversor elevador de tensão
3- Materiais utilizados
Duas fontes de tensão CC; Um gerador de funções; Software Freescale CodeWarrior IDE; Dois osciloscópios; Percloreto de sódio; Um multímetro; Placa de circuito padrão; Fio condutores encapado com verniz; Um indutor? Três capacitores; Quatorze resistores; Um dissipador de calor; Três diodos; Um transistor NPN BC547; Um AmpOp CA3140E; Soldador para solda de estanho; Estanho; Cabos de conecção; Furadeira elétrica; Demais equipamentos para a montagem da placa. 4- Procedimento experimental 4.1- Determinação dos Componentes
Primeiramente, o conversor a ser implantado deveria atender a seguintes características:
Freqüência de chaveamento: 16,384KHz Tensão de Saída (V0): 24V Tensão de Alimentação (Vin) com ΔV igual a 2%: 10V a 14V Potencia Nominal: 10W 4.2- Determinação de Componentes Passivos
Primeiramente utilizou-se a seguinte fórmula para calcular os duty’s máximo e mínimo =
.
=1− =1−
= 0,58
=1−
= 0,42
Com os valores dados da potência e da tensão de saída (levando em conta sua variação ∆V) chegamos assim ao valor da corrente mínima e máxima: =
=
10 = 0,4125 24,24
10 = 0,4209 23,76 Para a corrente mínima utilizou-se um valor 10 vezes menor para não comprometer o circuito, ou seja Imin=0,04125 A. =
Com um período de 61,035*10-6 s calculou-se a freqüência a ser utilizada no projeto: =
1
= 61,035 ∗ 10
= 16,38404 ∗ 10 Com esses dados iniciais já pode-se calcular a indutância mínima a ser utilizada no conversor elevador de tensão, este valor de indutância serve como o valor mínimo para que nosso circuito seja um conversor Boost: =
(
)
=
(
∗ ,
)
, ∗ ,
,
∗
= 2,5231 ∗ 10
Da mesma forma também é necessário o calculo do valor do capacitor para o funcionamento perfeito do circuito: =
=
∆
,
∗ ,
∗
,
∗
,
= 3,1042 ∗ 10
Com o valor de capacitância calculado, procurou-se um valor comercial aproximado para a escolha do capacitor. Em nosso caso utilizamos um com 47µF, embora um pouco acima do calculado este capacitor poderá ser utilizado sem maiores problemas para o circuito. Para o dimensionamento do resistor de carga calculou-se as cargas mínima e a máxima suportadas neste circuito: =
=
24 = 57,02 0,4209
24 = 581,82 0,04125 Deste modo, a resistência de carga se localiza entre este intervalo de valores de forma que podemos escolher qualquer valor pertencente ao domínio que nosso circuito devera supostamente suportar. Determinação de intervalo: =
57,02
=
≤
≤ 581,82
Ao final optamos por um resistor de 470Ω para carga, por se tratar de um valor intermediário.
Para determinar as resistências dos resistores do circuito divisor de tensão resistivo utilizou-se a equação a seguir e atribui-se um valor para a resistência de Rx, calculando assim R1: =
∗ +
=> 3,33 =
40 ∗ 1 +1
=>
= 11,01
4.3- Confecção do Indutor Com o calculo da indutância minima como demonstrado na seção 4.2, foi possível realizar a confecção do indutor necessário para o funcionamento do circuito. Como visto, Lmin=2,52x10-3H embora para fins de calculo tenhamos utilizado uma indutância cerca de 4 vezes maior (10x10-3H) que a minima requerida pelo circuito. O primeiro passo foi a descoberta experimental da permeabilidade magnética (µ) do núcleo a ser usado decorrente do desconhecimento do seu material de fabricação. Para isto utilizamos as seguintes fórmulas: = = =
Onde: L = Indutância µr = Permeabilidade magnética relativa µ0 = Permeabilidade magnética do ar µ = Permeabilidade magnética absoluta N = Numero de voltas Ae = Área do núcleo Pmin = Perímetro de uma “janela”
Com isto, confeccionamos um primeiro indutor com numero de voltas (N) conhecido e com o auxilio de um medidor LRC mediu-se a indutância resultante. Com isso, a única incógnita ainda restante na equação seria o valor da permeabilidade magnética do núcleo. Ou seja: Para um numero de voltas igual a 10 e uma indutância experimental igual a 384mH 384 ∗ 10
=
∗ 10 ∗ 1,1224 ∗ 10 0,07115
= 2,4342 ∗ 10 (
)
Agora com o valor da permeabilidade conhecido, pudemos calcular o número necessário de voltas para que o indutor alcançasse a indutância que esperávamos. 10
=
2,4342 ∗ 10
∗ ∗ 1,1224 ∗ 10 0,07115
= 51,03 Conhecendo o numero de voltas necessárias, o próximo passo foi a escolha de um fio adequado para o enrolamento do indutor de forma a suportar a corrente máxima do circuito (Imax) e então enrolar as espiras determinadas. Concluído isto, mediu-se novamente a indutância obtendo um valor aproximado de 9,02mH. Observou-se então uma grande variação no valor de indutância decorrente de influencias externas como pressão de fixação ou alinhamento das partes do núcleo, resolveu-se aumentar em 1,5 vezes o numero de voltas a ser utilizadas, livrando assim o circuito da possibilidade da obtenção de uma indutância menor que Lmin. Finalizado o processo de preparação e encaixe das espiras, o núcleo do indutor é fixado ao enrolamento e após uma nova medição obteu-se uma indutância de cerca de 24,12mH. 4.4- Confecção da placa de circuito impresso Para a confecção da placa de circuito impresso primeiramente analisouse quais os componentes o conversor elevador de tensão utiliza e quais os componentes são necessário para o funcionamento do circuito elevador de tensão do duty, que se utilizou primeiramente um AmpOp. Depois de sabermos a totalidade de componentes utilizados começou-se a elaboração do desenho do circuito, ainda no papel, buscando a eficiência da placa. Esta eficiência se da a organização dos componentes de forma a diminuir o tamanho da placa
sem que prejudique seu funcionamento perfeito, por exemplo evitar o superaquecimento do circuito. Chegou-se então em um desenho de um circuito onde os componentes eram ligados de forma correta sem que os traçados de cobre se conectassem e as entradas do circuito ficassem colocadas na placa lado a lado buscando a otimização. Utilizando papel carbono fez-se o espelhamento do circuito para outra folha, porque o desenho do circuito feito é o circuito que é visto do lado dos componentes. Este novo esboço foi passado novamente com o papel carbono para a placa de circuito impresso (do lado do cobre). Com uma caneta de tinta permanente repassou-se os traçados de cobre e as ilhas de cobre cuidando para que os traçados não estejam em curto-circuito. Pegou-se a placa e colocou-se no percloreto de sódio para que ocorra a corrosão do cobre onde não há tinta permanente. Após 40 minutos o cobre esta corroído, com exceção dos traçados e ilhas de cobre, ainda com a tinta permanente na placa utilizou-se esponja de aço para remover a tinta e ficar amostra o cobre não corroído dos caminhos de cobre, como mostrado na Figura 3.(a).
Figura 3- (a). Placa de circuito impresso com os traçados e ilhas de cobre; (b). Placa de circuito impresso com os traçados e ilhas de cobre estanhados
Com a furadeira fez-se na placa, mais exatamente nas ilhas de cobre, furos onde os componentes vão ser soldados e ficarão em contato com os caminhos de cobre, como ilustrado na Figura 3.(a). Para proteger os caminhos condutores de cobre da oxidação e para uma melhor condução da corrente nesses traçados, estanharam-se os mesmos, como ilustrado na Figura 3.(b).Soldou-se então os componentes na placa. Durante os testes do circuito, notou-se no osciloscópio que a curva amplificada da tensão do AmpOp poderia, talvez, ser melhorada utilizando transistor como amplificador. Assim desativou-se todo o circuito do AmpOp e furou-se novamente a placa de forma a fazer um novo circuito amplificador de tensão, agora utilizando um transistor NPN. Soldou-se os novos componentes e testou-se e percebeu-se então que a curva da tensão do duty foi melhorada.
Desta forma a placa possui dois circuitos amplificadores em funcionamento, sendo utilizado somente o circuito do transistor. Esta placa permite que por uma simples troca de conexão troca-se de circuito amplificador. A placa de circuito impresso pronta pode ser mostrada na Figura 4.
Figura 4- placa de circuito impresso com os componentes soldados
Após a confecção da placa de circuito impresso e a elaboração do programa responsável pelo controle utilizado em conjunto com a placa microcontroladora, fez-se a montagem do circuito por completo. Primeiramente, ligamos os cabos de conexão responsáveis pela alimentação da placa de circuito impresso: Vin, -Vcc, +Vcc, duty, GND e Vinplaca. Sendo o -Vcc descartado graças a não utilização do AmpOp. Vin, +Vcc e GND ligados as fontes de alimentação, sendo respectivamente alimentados por 10 a 14V e 12V. O duty e o Vinplaca foram ligados a placa microcontroladora, sendo que estes serviram para transportar o sinal de duty calculado pelo microcontrolador e transportar a tensão de saída da carga através do divisor resistivo de uma maneira segura para o microcontrolador, respectivamente. Após rodar o programa elaborado, com o auxilio de dois osciloscópios, foram feitas medidas de varias “características” da placa (Vgs, Vds, Il, entre outras). 5- Resultados e discuções Com a tensão de entrada em 12 V, dentro do intervalo de projeto (10 a 14 V), levantou-se as curvas de tensões pertinentes ao estudo do circuito e alguns valores de corrente em alguns componentes. Para visualizar esses resultados, serão mostradas figuras retiradas dos osciloscópios. A figura 1 mostra as curvas mais relevantes.
Figura 5
O canal 1 (amarelo) mostra o duty que sai da placa do microcontrolador, na forma de uma tensão com amplitude de 3,2 V no estado “ligado”. Após esta tensão ser amplificado pelo transistor, o valor da tensão do duty amplificado fica em 12 V (roxo, canal 3), que é o valor da tensão entre o gate e o source do MOSFET (Vgs). Para este caso de tensão de entrada em 12 V e saída fixa em 24 V, o valor do duty, tensão “ligada” durante 26 µs sobre o período de 59 µs, resultou em 0,44. A figura 2 mostra tensão de saída medida em outro osciloscópio no mesmo instante de tempo das medições da figura 1. Observase também, ainda na figura 1, que a tensão de referência do potenciômetro (azul, canal 2) está praticamente igual à tensão de saída do circuito boost que vai para o microcontrolador (verde, canal 4), ou seja, a tensão de saída medida com o divisor resistivo.
Figura 6
A corrente fornecida pela fonte de entrada foi de 0,64 A. Já a corrente fornecida pela fonte que alimenta o circuito amplificador, com Vcc = 12 V, foi de 0,02 A. A tensão nos terminais do MOSFET (dreno e source) é mostrada na figura 3, no canal 1, em amarelo, os outros canais continuam os mesmos da figura 1.
Figura 7
A tensão Vds, como se esperava, ficou em aproximadamente zero enquanto o duty está em nível alto, ou seja, MOSFET conduzindo, e fica em 25,4 V quando duty está em nível baixo, ou seja, sem condução. Este valor parece bem coerente, pois há uma pequena queda de tensão no diodo enquanto ele conduz, e no carregamento do capacitor, o que resulta em aproximadamente 24 V na saída. A tensão no diodo é esboçada na figura 4.
Figura 8
A tensão enquanto o diodo conduz, ficou em 24,2 V (negativos devido a referência do osciloscópio, se GND fosse a referência a tensão seria positiva). O tempo em que a tensão fica em nível alto no diodo foi de 30,4 µs, aproximadamente o tempo em que o duty está em nível baixo. A tensão no indutor forneceu a curva da figura 5.
Figura 9
Enquanto o MOSFET conduz, a tensão no indutor, em relação ao GND, é igual a tensão que a fonte fornece, na figura, Vpositivo = 12,6 V. Quando o MOSFET pára de conduzir, a tensão inverte de polaridade, afim de manter a mesma corrente que passava pelo indutor anteriormente, resultando em Vnegativo = 12 V.
A corrente no indutor, medida em forma de tensão sobre um resistor de 1 ohm em série com o indutor, resultou na figura 6. .
Figura 10
Tirando as oscilações anormais (riscos verticais), a corrente no indutor se mantém quase estável, com variação de pico-a-pico, de no máximo 100 mA. Considerando os riscos verticais, a variação chega a 800 mA, o que também não é considerado um valor alto. Analisando a tensão de saída com um cuidado maior, diminuindo a escala da tensão no osciloscópio para se ver “mais de perto” a curva de saída se torna a curva representada na figura 7.
Figura 11
A diferença pico-a-pico da tensão de saída na imagem é de aproximadamente 380 mV, aproximadamente 120 mV acima de 24 V e 260 mV abaixo. Ao variarmos a tensão de entrada para fora do intervalo para o qual o conversor boost foi projetado, observou-se a continuação das propriedades de saída esperadas do circuito até uma faixa de 2,5V a menos do limite inferior e cerca de 1V para o limite superior como ilustrado na Figura 12.
Figura 12 – (a)Resposta do conversor boost a tensão de entrada de 7,5V; (b) Resposta do conversor boost a tensão de entrada de 14,8V.
Na Figura 12, podemos observar a variação do duty necessária para manter a tensão de saída constante para um grande intervalo de tensão.
6- Conclusão Após inúmeros ajustes, o conversor boost se comportou como esperado, mantendo uma saída constante em 24 V durante a variação da tensão de entrada, inclusive aos usarmos um intervalo de tensões maior que o calculado. Isso se deve graças ao uso de uma corrente mínima (Imin) cerca de 10 (dez) vezes menor que a calculada, isso resulta em uma indutância muito maior que a supostamente necessária. Alem disso, em todos os cálculos (divisor resistivo, indutor, entre outros) e ações preventivas realizados, foram atribuídos valores ou componentes que permitissem uma segurança em relação a integridade do circuito (adição de capacitores no +Vcc e – Vcc do AmpOp, entre outras). Verificou-se também que o amplificador por transistor se comporta de maneira mais coerente e eficiente na questão de amplificação de sinal do que o CI AmpOp.
A variação da tensão de saída, projetada para 2%, ou seja, 240 mV para mais e 240 mV para menos, ficou entre esses dois valores, porém, um capacitor maior poderia ter sido usado para aumentar a segurança deste quesito. As conexões feitas na placa de circuito impresso proporcionaram uma maior mobilidade sem acarretar em riscos ao circuito, além de minimizarem o espaço ocupado e aumentarem a eficiência das conexões. O algoritmo desenvolvido para controle do duty através do microcontrolador se mostrou propício para o projeto, atendendo a todas as exigências do conversor. 7- Bibliografia
Projeto e desenvolvimento de um conversor Boost microcontrolado operando em condução descontínua e com alto fator de potência- Alan Pandolfi Moisés-2005
