AULA LAB 02 LABORATÓRIO DE CONVERSORES CC-CC 2 GERAÇÃO DOS SINAIS DE COMANDO (PWM) NO ARDUINO

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1 INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA CURSO TÉCNICO DE ELETRÔNICA Eletrônica de Potência AULA LAB 02 LABORATÓRIO DE CONVERSORES CC-CC 1 INTRODUÇÃO Esta aula de laboratório tem por objetivo consolidar os conhecimentos obtidos nas aulas teóricas referentes ao estudo de conversores cc-cc. Será montado o circuito de um conversor cc-cc do tipo Buck e algumas medidas importantes serão obtidas. Além disso, a carga deste conversor será uma bateria, que será carregada pelo conversor implementado. Em síntese, objetiva-se: Implementar conversores do tipo Buck; Analisar conversores cc-cc operando em condução contínua e descontínua; Entender os princípios básicos de conversores cc-cc; Verificar o funcionamento de conversores cc-cc em laboratório; Entender o funcionamento de carregadores de baterias; Implementar carregadores de baterias. 2 GERAÇÃO DOS SINAIS DE COMANDO (PWM) NO ARDUINO Inicialmente, grave no Arduino o programa mostrado ao final deste roteiro de laboratório. A seguir, implemente o circuito mostrado na figura 1. Verifique o correto funcionamento deste circuito, observando se ao decorrer do tempo a razão cíclica é alterada conforme esperado. Tabela 1 Lógica para geração da razão cíclica. Tempo Razão cíclica PWM no Arduino segundos 30% segundos 50% segundos 70% segundos 90% PWM Figura 1 - Circuito para geração da razão cíclica com Arduino. Eletrônica de Potência - Laboratório 1/6

2 3 CONVERSOR CC-CC BUCK Monte na matriz de contatos o circuito mostrado na figura 2 a seguir. A tensão de entrada (V in ) será de 15 V. O diodo será o 1N4936 e o indutor será de aproximadamente 5 mh. Já o capacitor de saída será de 680 μf. Conecte um resistor de carga de 270 Ω. O PWM do Arduino está configurado para operar em 500 Hz. Inicialmente verifique o correto funcionamento do circuito, observando a forma de onda na carga (V o ) com uma razão cíclica de 50%. Observe também a forma de onda da tensão sobre o diodo (V 5 ). Esta tensão deve ser pulsada, conforme visto na teoria sobre o conversor Buck. PROFET 3 in PWM Comando L 2 e o 5 Proteção V i = 15 V 4 1 GND - D RL C R o o V o - Figura 2 Circuito do conversor cc-cc Buck. A seguir altere a razão cíclica no Arduino conforme solicitado na tabela 2, medindo a tensão de saída e anotando os valores, para posteriormente comparar com os cálculos realizados. Tabela 2 Tensão média de saída no conversor cc-cc Buck. Tensão de saída Razão cíclica Calculado Medido % 12,79 V 50% 14,03 V 70% 14,47 V 90% 14,67 V A tensão de saída do conversor Buck foi calculada por: Vo = D V condução contínua; i 2 Vi Vo = condução descontínua. 8 Lo Fs R D o Eletrônica de Potência - Laboratório 2/6

3 4 CONVERSOR CC-CC COMO CARREGADOR DE BATERIAS Altere o circuito implementado, adicionando os resistores para medição de tensão e corrente e a bateria como carga, conforme mostrado na figura 3. 3 V i - PWM in 2 4 PROFET Comando e Proteção 1 GND 5 L o Circuito de medição e bateria R sh R 1 R 3 D RL C o V a V b BAT V o R 2 R 4 - Figura 3 Circuito do conversor cc-cc como carregador de baterias. Os novos elementos são: Bateria: Tensão nominal de 6 V e corrente nominal de 2,8 A; R sh : Resistor shunt de 1 Ω; R 1 e R 3 : Resistores do divisor de tensão, com 2,7k Ω; R 2 e R 4 : Resistores do divisor de tensão, com 1k Ω. Ajuste a corrente da fonte para que esta fique limitada em 300 ma. Ajuste a tensão da fonte para 8 V e verifique o correto funcionamento do circuito, observando a forma de onda na carga (V o ) com uma razão cíclica de 50%. Observe também a forma de onda da tensão sobre o diodo (V 5 ). Esta tensão deve ser pulsada, conforme visto na teoria sobre o conversor Buck. Agora, ajuste a tensão da fonte de entrada, quando a razão cíclica estiver em 90%, para que a tensão de saída seja de 8 V. A seguir altere a razão cíclica no Arduino conforme solicitado na tabela 3, medindo os valores solicitados. Razão cíclica 0 30% 50% 70% Tabela 3 Tensões e corrente no circuito do carregador de baterias. Tensões Corrente Tensão Potência Calculada na calculada na V 1 V 2 V Rsh Medida (no shunt) bateria carga Calcule a corrente na bateria, a partir do cálculo da tensão sobre o resistor shunt, tomando como base os valores de tensão medidos (V 1 e V 2 ). Determine também a potência na bateria, a partir da tensão e corrente medida na mesma. Eletrônica de Potência - Laboratório 3/6

4 Questão 1) Esboce as formas de onda observadas no osciloscópio na figura 4. Questão 2) Compare a potência calculada com aquela utilizada no projeto do retificador, em outra aula de laboratório. Lembre que o valor da potência aparente do transformador considerada naquela aula foi de aproximadamente 5,4 VA. Assim, o circuito retificador implementado naquela aula de laboratório poderá suprir energia para o carregador de baterias em qualquer razão cíclica? v i (t), v 5 (t) 0 t d(t) 0 T s /4 T s /2 3T s /4 T s Figura 4 Principais formas de onda do conversor cc-cc Buck. t Questão 3) Os resultados obtidos nas medições realizadas são condizentes, ou seja, se os valores de V 1 e V 2 forem utilizados para medir tensões e obter correntes, com o Arduino, os valores serão coerentes com as medições de tensão e corrente na bateria, realizadas com o multímetro? Questão 4) Considerando que o conversor analógico-digital do Arduino opera com 10 bits, converta os valores medidos na tabela 3, conforme solicitado na tabela 4. Razão cíclica 0 30% 50% 70% Tabela 4 Valores da tabela 3 convertidos internamente no Arduino. Tensões Corrente V 1 V 2 Calculada a Calculada Medida partir da Med. Conv. Med. Conv. (no shunt) Conv. Questão 5) Considerando os resultados obtidos na tabela 4, é possível utilizar o circuito com resistores para obter internamente ao Arduino os valores de tensão e corrente da bateria? Comente. Eletrônica de Potência - Laboratório 4/6

5 5 PROGRAMA PARA ARDUINO This example code is in the public domain. Instituto Federal de Santa Catarina - IFSC Campus Florianopolis Departamento Academico de Eletronica - DAELN Eletronica de Potencia Fevereiro de 2013 Geracao de sinais PWM que variam automaticamente de tempo em tempo 0 - analogwrite(0) 30% - analogwrite(77) 50% - analogwrite(128) 70% - analogwrite(179) 90% - analogwrite(230) Configura as variaveis do programa int pwmpin = 3; // Saida PWM no pino 3 int ledpin = 13; // Saida LED no pino 13 int pwm = 0; // Define a variavel pwm int atraso = 10000; // Define a variavel atraso com valor de 10 s void setup() { Serial.begin(9600); // Inicia comunicacao com terminal Define o modo (entrada ou saida) dos pinos pinmode(pwmpin, OUTPUT); // Seta pino como saida pinmode(ledpin, OUTPUT); } void loop() { Gera os sinais PWM incrementando de tempo em tempo. pwm = 0; pwm = 77; Eletrônica de Potência - Laboratório 5/6

6 pwm = 128; pwm = 179; pwm = 230; } Eletrônica de Potência - Laboratório 6/6