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Análise do convesor Boost PFC e cáculos de maneira Geral
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
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Trabalho de Conclusão de Curso submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos para obtenção do título de Tecnólogo em Eletrônica Industrial.
Professor Orientador: Mauro Tavares Peraça, Dr. Eng.
Coorientador: Flábio Alberto Bardemaker Batista, Dr. Eng.
O projeto contido neste trabalho foi solicitado pela equipe Zênite, que participa do Desafio Solar Brasil, para ser implementado no barco movido a energia solar, desenvolvido pelo IFSC. Foi solicitado pela equipe uma fonte chaveada de potência de saída baixa e com múltiplas saídas. Este trabalho objetiva desenvolver uma fonte de alimentação chaveada e isolada, com múltiplas saídas para energizar circuitos eletrônicos específicos contidos no barco. O desenvolvimento da fonte foi composto pelas seguintes etapas: análise teórica; cálculos dos valores principais e componentes; simulações de circuito e testes do protótipo em bancada. Foram analisadas diferentes topologias de conversores CC-CC e, através disso, escolheu-se a topologia flyback em condução descontínua para a aplicação referida. Os cálculos foram feitos, em sua grande parte, seguindo o método proposto na literatura. As simulações, feitas no software PSIM, auxiliaram na análise prévia do funcionamento do conversor, bem como de toda a fonte. Atendendo as especificações da equipe Zênite, foi projetado e implementado um conversor de 12,1 W, com tensões de saída de 5 V (primeira saída), 12 V (segunda saída) e 15 V (terceira saída), e com tensão de entrada podendo variar de 20 V à 50 V. Os testes em bancada mostraram que o rendimento da fonte para diferentes níveis de tensão de entrada comportou-se de maneira esperada, além de apresentar um funcionamento adequado frente a transitórios. De forma geral, o protótipo está hábil para fornecer as correntes e tensões necessárias para seus circuitos dependentes, com rendimento e funcionalidades suficientemente atendidos. Palavras-chave : Fonte chaveada. Conversor CC-CC. Flyback.
The project was requested by the Zênite team which participates in the Solar Challenge Brazil to be implemented in the boat powered by solar energy, Developed by the IFSC. It was requested by the team a switched-mode power supply of low output power and multiple outputs. This study aims to develop a switched and isolated power supply with multiple outputs to power specific electronic circuits contained in the boat. The development of the power supply was composed of the following steps: theoretical analysis; calculations of major values and components; circuit simulations and benchtop prototype tests. Different topologies of DC-DC converters were analyzed and, through this, the flyback topology was chosen in discontinuous conduction for the referred application. The calculations were made, for the most part, following the method proposed in the literature. The simulations, made in the PSIM software, assisted in the previous analysis of the operation of the converter, as well as of the whole power supply. According to the Zênite team specifications, a 12.1 W converter was designed and implemented with output voltages of 5 V (first output), 12 V (second output) and 15 V (third output), and with input voltage ranging from 20 V to 50 V. The bench tests showed that the yield of the power supply for different levels of input voltage behaved in an expected manner, in addition to having a proper transient operation. In general, the prototype is able to provide the currents and voltages required for its dependent circuits, with sufficient performance and functionality. Key-words : Switched-mode power supply. DC-DC Converter. Flyback.
Figura 46 - Tensão de saída 2 e corrente de entrada para Vin 50 V e carga 50% (5V/div. e 500mA/div.) ............................................................................................... 76
Figura 47 - Tensão de saída 3 e corrente de entrada para Vin 50 V e carga 50% (5V/div. e 500mA/div.) ............................................................................................... 76
Figura 48 - Tensão de saída 1 e corrente de entrada para Vin 20 V e carga 100% (2V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 78
Figura 49 - Tensão de saída 2 e corrente de entrada para Vin 20 V e carga 100% (5V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 78
Figura 50 - Tensão de saída 3 e corrente de entrada para Vin 20 V e carga 100% (5V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 79
Figura 51 - Tensão de saída 1 e corrente de entrada para Vin 35 V e carga 100% (2V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 80
Figura 52 - Tensão de saída 2 e corrente de entrada para Vin 35 V e carga 100% (5V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 80
Figura 53 - Tensão de saída 3 e corrente de entrada para Vin 35 V e carga 100% (5V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 81
Figura 54 - Tensão de saída 1 e corrente de entrada para Vin 50 V e carga 100% (2V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 82
Figura 55 - Tensão de saída 2 e corrente de entrada para Vin 50 V e carga 100% (5V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 82
Figura 56 - Tensão de saída 3 e corrente de entrada para Vin 50 V e carga 100% (5V/div. e 1A/div.) ...................................................................................................... 83
Figura 57 - Transitório de carga da saída 1 de 50% para 100% com Vin 20 V (2V/div. e 100mA/div.) ............................................................................................................ 84
Figura 58 - Transitório de carga da saída 1 de 100% para 50% com Vin 20 V (2V/div. e 100mA/div.) ............................................................................................................ 84
Figura 59 - Transitório de carga da saída 2 de 50% para 100% com Vin 20 V (5V/div. e 100mA/div.) ............................................................................................................ 85
Figura 75 - Tensão de entrada de 34 V para 36 V e tensão de saída (5V/div.) ........ 97
Figura 76 - Tensão de entrada de 34 V para 36 V e saída do compensador (5V/div.e 1V/div.) ...................................................................................................................... 98
Figura 77 - Tensão de entrada de 47 V para 49 V e tensão de saída (10V/div. e 5V/div.) .................................................................................................................................. 99
Figura 78 - Tensão de entrada de 47 V para 49 V e saída do compensador (10V/div.e 1V/div.) ...................................................................................................................... 99
IFSC – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. CC – Corrente contínua. PWM – Pulse width modulation (Modulação de largura de pulso). MOSFET – Metal oxide semiconductor field effect transistor (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor).
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Este trabalho refere-se ao desenvolvimento de uma fonte de alimentação chaveada e isolada, com múltiplas saídas, de forma a atender as especificações da equipe Zênite. Esta equipe é formada por alunos de diferentes cursos do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina (IFSC), e participa anualmente do Desafio Solar Brasil. O Desafio Solar Brasil consiste em um rali de barcos movidos à energia solar. Seus principais objetivos são: Promover o desenvolvimento de tecnologia; Formar jovens, estudantes de ciências e tecnologia no uso de fonte alternativas de energia; Popularizar a cultura marítima e as fontes de energia alternativa; Promover o intercâmbio entre estudantes e pesquisadores de ciências e tecnologias. Este trabalho de conclusão de curso organiza-se do seguinte modo: em primeiro lugar, apresenta-se uma breve revisão de literatura mostrando as diferentes topologias de conversores de corrente contínua, com foco e detalhamento ampliado para a utilizada na fonte a ser desenvolvida. Encontram-se ainda neste tópico, a descrição dos circuitos auxiliares. Em seguida, são mostrados os requisitos de projeto, bem como as especificações posteriormente definidas pelo projetista. Os cálculos para a definição de componentes e diversos outros elementos são baseados nas equações encontrados em Barbi (2007) e são feitos com auxílio do software SMath Studio. Além disso, também são mostrados os resultados obtidos em simulação com o software PSIM, de forma a obter uma prévia compreensão das formas de onda e valores englobados no funcionamento da fonte. Na sequência apresenta-se as etapas de confecção da placa de circuito impresso e a demonstração de seus testes para obtenção de resultados. Estes processos foram feitos em bancada, com a utilização de materiais de laboratório tais como: fonte de alimentação, osciloscópio, ponteira de corrente e multímetro. Por fim, são apresentados os aspectos conclusivos do trabalho, mostrando os fatos ocorridos durante o desenvolvimento, os objetivos atendidos e as dificuldades encontradas.
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As soluções encontradas pela equipe Zênite para o funcionamento do barco são, em grande parte, circuitos eletrônicos interconectados, de modo a dar a desenvoltura necessária para movê-lo e, assim, participar da competição. Alguns circuitos contidos no barco necessitam de uma fonte de alimentação e, até o momento, a equipe Zênite utiliza uma fonte que, apesar de cumprir sua função, pode não ser a escolha ideal para o tipo de aplicação. Atualmente, a equipe está utilizando uma fonte de alimentação linear para alimentar alguns circuitos do barco, sendo que as potências utilizadas para esses não são ideais para este tipo de implementação. Isto se deve ao fato de que componentes reguladores de tensão contidos em tal fonte alimentam diversos circuitos e, com isso, causam a dissipação de maior quantidade de calor. Por ser uma fonte linear, esta perda de calor gera um baixo rendimento, não cumprindo seus objetivos específicos em relação ao desempenho do barco. Segundo Brown (1990), as fontes lineares, apesar de sua simplicidade de projeto, apenas diminuem a tensão de saída em relação a de entrada e apresentam uma baixa eficiência em relação ao resultado final (entre 30% e 60%). Isto se deve ao fato de que estas fontes sofrem altas perdas de rendimento em reguladores lineares, deixando grande parte da porcentagem de rendimento em dissipadores de calor. Em contrapartida, apesar de maior complexidade de desenvolvimento de projeto, Brown (1990) diz que fontes chaveadas conseguem uma taxa de eficiência acima de 90%; requerem menores dissipadores de calor; podem possuir múltiplas saídas; tem a possibilidade de diminuir ou aumentar a tensão de saída; e além disso, ainda garantem baixo volume (tamanho) e peso, e menor custo de confecção para potências mais elevadas. Tomando como objetivo apresentar uma solução mais eficiente do que a proporcionada pelos reguladores lineares, a possível compactação da placa, a necessidade de múltiplas saídas e visando um melhor desempenho da fonte de alimentação no que se refere a rendimento oferecido e menor dissipação de calor, foi elaborada a seguinte questão problema: (1) Uma fonte de alimentação chaveada com múltiplas saídas conseguiria suprir as necessidades do barco desenvolvido pela equipe Zênite?
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c) Projetar o circuito do conversor a ser utilizado, o componente magnético e circuitos auxiliares para completo funcionamento da fonte de alimentação; d) Implementar e avaliar o circuito proposto, de forma a se obter um resultado mais satisfatório possível para a utilização da fonte de alimentação.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
Em primeiro lugar foi feita uma revisão sobre conversores CC-CC direcionada à topologia flyback. O motivo disto deve-se à busca de um conversor que atue com múltiplas saídas, isoladas, com potência de saída inferior à 100 W. Após, foram feitos cálculos e simulação da topologia de conversor escolhida, auxiliando à compreensão de funcionamento da fonte. Com isso, iniciou-se a confecção de uma planilha de cálculo para a fonte de alimentação com conversor flyback, com auxílio do software SMath Studio, e baseando-se nas equações de Barbi (2007). Com o resultado dos cálculos e da simulação para a fonte em malha aberta foi possível desenvolver o transformador e iniciar o layout da placa de circuito impresso. Em meio a este processo foi definido o componente controlador PWM e o transistor de potência, além da utilização de um optoacoplador na saída escolhida para a realimentação do sistema da fonte. Em seguida foram calculados os componentes para os circuitos externos conectados ao controlador PWM. Para obtenção dos componentes do circuito compensador foi utilizado o software MATLAB 2017 que auxiliou na análise e definição do diagrama de Bode da resposta transitória da fonte. Como última etapa foi finalizado o layout da placa e feita a montagem dos componentes na mesma, permitindo a execução dos testes e a obtenção dos resultados para conclusão do trabalho.
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Em se tratando de fontes chaveadas, pode-se dizer que estas são um dos avanços tecnológicos mais importantes, no que se refere à eletrônica de potência. Elas ajudaram a reduzir volume, peso e dissipação das fontes reguladas convencionais apesar de serem mais complexas, tornando-as compactas e com melhor rendimento, permitindo o acompanhamento evolutivo com a microeletrônica.
2.1 TOPOLOGIA DE CONVERSORES
“Os conversores CC-CC são circuitos eletrônicos que convertem uma tensão CC para diferentes níveis de tensão CC, fornecendo sempre uma saída regulada” (Eletrônica de Potência – análise e projetos de circuitos, 2012, p.197). Cada topologia descrita a seguir terá um melhor funcionamento em distintas aplicações, possuindo alguns aspectos diferenciais como, por exemplo, os limites de potências almejadas, a tensão de entrada, o pico de corrente sobre os semicondutores, o número de saídas, isolação, entre outros. Isso permite uma elevada gama de possibilidades para estes tipos de conversores. Algumas das topologias mais utilizadas são mostradas a seguir, inclusive a que será utilizada nesse trabalho, que será explicada com mais detalhes.
2.1.1 Conversor Buck O conversor Buck é caracterizado por diminuir a tensão de saída em relação à de entrada, não possuir isolação e ser não-inversor. A Figura 1 mostra seu circuito básico e as principais formas de onda.
