Electrónica Geral. Capítulo 6. Conversores Electrónicos de Potência. Autores: Pedro Vitor e José Gerald

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1 Electrónica Geral Autores: Pedro itor e José Gerald MEAer: 4º ano, º semestre MEFT: 3º ano, º semestre 5/6 Capítulo ersão. 6 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

2 .. Conersores AC/C (rectificadores). ntrodução aos conersores de potência Um conersor AC/C, ou rectificador, transforma a tensão alternada numa tensão contínua AC Alternating Current ~ C irect Current ectificador em ponte 3 e e 4 Fecham Fecham ectificador em ponte de Graetz Colocação de um filtro passa-baixo para reduzir a presença de sinais alternados 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

3 .. Conersores AC/C (rectificadores) (cont.). ntrodução aos conersores de potência (cont.) ectificador de onda completa com dois díodos Conduz o díodo de cima Conduz o díodo de baixo ectificação controlada Em ez de díodos são usados interruptores controlados (por exemplo com transístores) O alor médio da tensão de saída depende do instante em que se inicia a condução dos dispositios 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 3

4 .. Conersores C/AC (inersores). ntrodução aos conersores de potência (cont.) Um conersor C/AC, ou inersor, transforma a tensão contínua numa tensão alternada nersor em ponte C irect Current AC Alternating Current ~ e conduzirem alternadamente, ou 3, 4 obtém-se uma onda quadrada que aproxima-se menos de uma sinusoide (mais harmónicas) e conduzirem alternadamente, ou 3, 4 e nos interalos não conduzir nenhum interruptor obtém-se uma onda que se aproxima mais de uma sinusoide (menos harmónicas) 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 4

5 . ntrodução aos conersores de potência (cont.).3. Conersores C/C Um conersor C/C permite obter uma tensão contínua a partir de uma tensão contínua diferente C irect Current C irect Current Conersor C/C em ponte O circuito é idêntico ao do inersor em ponte só que os interruptores são comandados de tal forma que tenha um alor médio diferente de zero Conersor C/C redutor simples É redutor pois a tensão de saída é mais baixa que a de entrada O interruptor é normalmente um díodo 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 5

6 . ntrodução aos conersores de potência (cont.).3. Conersores C/C (cont.) Um conersor C/C pode ser constituído por um conersor C/AC e outro AC/C ligados atraés de um transformador, chamando-se neste caso conersor C/C com ligação AC (AC link) O transformador faz isolamento galânico entre a entrada e a saída e modifica o níel da tensão A frequência de comutação pode ser eleada para que o transformador, as bobines e os condensadores tenham pequenas dimensões 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 6

7 . ntrodução aos conersores de potência (cont.).4. Conersores AC/AC Os conersores AC/AC transformam uma tensão alternada numa tensão alternada com características diferentes Cicloconersor AC Alternating Current AC Alternating Current O cicloconersor é um conersor AC/AC em que a frequência de saída é diferente da frequência de entrada ealizado atraés de um circuito em ponte seguido de um circuito de filtragem que deixa passar apenas a fundamental de (t) ~ ~ Conersor AC/AC com ligação C (C link) O Conersor AC/AC com ligação C é constituído por um conersor AC/C e por outro AC/C, podendo as frequências de entrada e saída serem iguais ou diferentes Um aplicação típica é o sistema de alimentação sem interrupção (UP Uninterruptible Power upply). A tensão de entrada é a tensão de rede estando uma bateria entre os dois conersores que é carregada a partir da rede que fornece energia à carga quando falta a tensão da rede 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 7

8 . ntrodução aos conersores de potência (cont.).4. Conersores AC/AC (cont.) Controlador AC O controlador AC é também um conersor AC/AC A partir de uma tensão sinusoidal produz uma tensão alternada, não sinusoidal, com um alor eficaz diferente Utiliza um dispositio electrónico (normalmente um triac) que se comporta como um interruptor bidireccional (permite corrente em ambos os sentidos) Exemplo: eguladores de intensidade luminosa (light dimmers) 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 8

9 .. Fonte de alimentação simples Um fonte de alimentação simples é constituída por um transformador, que reduz a amplitude da tensão alternada, por um rectificador e por um filtro A tensão produzida não é de muito boa qualidade:. egulador de tensão série Contém tremor (riple) que o filtro não consegue eliminar completamente aria com a amplitude da tensão alternada, com a corrente da carga e com a temperatura.. egulador série ou regulador linear O transístor Q com a resistência de carga formam um seguidor de emissor, ligado a um amplificador operacional com ganho eleado o A A A com como normalmente A 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 9

10 .. egulador série ou regulador linear (cont.). egulador de tensão série (cont.) Características principais dos reguladores série: Factor de regulação (line regulation): A A É proporcional à estabilidade da tensão de referência esistência de saída do regulador: A É a resistência do seguidor de emissor diidida pelo ganho de retorno egulação de carga (load regulation): É a ariação relatia da tensão de saída com a ariação absoluta da corrente da carga (alores máximo mínimo), normalmente inferior a 5% Coeficiente de temperatura: T T A A T T É proporcional ao coeficiente da tensão de referência (3 a 3ppm/ C) endimento: CE X CE não pode ser muito baixo, pelo que o rendimento não pode ser eleado CE X CE X 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

11 3. Conersor redutor 3.. Conersor redutor (buck) O interruptor abre e fecha periodicamente com uma frequência de comutação f =/T A fracção do período em que o interruptor está fechado representa-se por e denomina-se factor de ciclo (duty-cycle): A bobine e o condensador C, conjuntamente com a resistência de carga, constituem um filtro passa-baixo, cuja frequência de corte é muito inferior à frequência de comutação: C Frequência de corte do filtro, T Em consequência a tensão de saída é aproximadamente constante e inferior à tensão de entrada: No estudo dos conersores comutados coném dar especial atenção à tensão e à corrente na bobine, e i : di dt i i t ( t ) ( ) d t e for constante i é uma rampa com declie / e i não se anular durante todo o período de comutação diz-se que o circuito funciona em regime de comutação contínua e i se anular durante parte do período o conersor funciona em regime de comutação descontínua 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

12 3. Conersor redutor (cont.) 3... egime de condução contínua Considerando que: O interruptor e o díodo são ideais (despreza-se a tensão quando conduzem) Quando o interruptor está fechado: A tensão na bobina ale: ( ) i T x Quando o interruptor está aberto: Conduz que assegura a continuidade da corrente na bobina, ficando: () i T x () i () i ois métodos de cálculo de :. Conjugando as duas equações de ariação da corrente na bobine: () () i i T T egime de condução contínua. Considerando que a bobine e o condensador formam um filtro passa-baixo, pelo que é o alor médio de x : x a x( t) dt T T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

13 3. Conersor redutor (cont.) Para que o regime seja de condução contínua é necessário que o alor médio da corrente seja superior a metade do desio: T i i i( t) dt a T f 3... egime de condução descontínua Quando o interruptor está fechado: A tensão na bobina ale: ( ) i T x Quando o interruptor está aberto (antes de se anular i ): Conduz que assegura a continuidade da corrente na bobina, ficando: ( ) i T x Quando o interruptor está aberto (depois de se anular i ): A corrente na bobina i = i () i () i 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 3

14 3. Conersor redutor (cont.) 3... egime de condução descontínua (cont.) ois métodos de cálculo de :. Conjugando as duas equações de ariação da corrente na bobine: () () i i T T. Considerando que a bobine e o condensador formam um filtro passa-baixo, pelo que é o alor médio de x : x a x( t) dt T T Para determinar : T T x T T T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 4

15 3. Conersor redutor (cont.) endimento do conersor em regime de condução contínua O rendimento dos conersores comutados é eleado (teoricamente %) Considerando que as tensões no interruptor e no díodo alem e, respectiamente, o rendimento ale: como Pela conseração da energia, com e os alores médios das correntes no interruptor e no díodo, respectiamente e e ( i ) a e ( i) a ( i ) a conclui se: 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 5

16 3. Conersor redutor (cont.) Tremor ou ondulação (ripple) do conersor em regime de condução contínua Considerou-se constante contudo apresenta um tremor ou ondulação A corrente no condensador i C tem alor médio nulo em regime estacionário (caso contrário a tensão de saída não paraa de crescer ou decrescer) i C T d / T i C ic t dt dt C ( ) C 8 T i C T f como i T 8C f em que f é a frequência de ressonância de e C: e f é a frequência de comutação do conersor: f f T C 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 6

17 3. Conersor redutor (cont.) istema de controle PWM O modulador de largura de impulso (PWM) é constituído por um oscilador que produz uma tensão em dente de serra e um comparador A tensão dente de serra é comparada com E, obtendo-se na saída do comparador a tensão de comando C : Quando E aumenta diminui Quando E diminui aumenta A tensão E A actua no modulador de largura de impulsos (PWM Pulse-Width Modulation), o qual ai actuar no interruptor, sendo C inertido face a E e o ganho A for eleado: ou 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 7

18 4.. Conersor ampliador (boost) 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador O interruptor abre e fecha periodicamente com uma frequência de comutação f =/T A fracção do período em que o interruptor está fechado representa-se por e denomina-se factor de ciclo (duty-cycle): A resistência e o condensador C, apresentam uma constante de tempo muito superior ao período de comutação:, C T Em consequência a tensão de saída é aproximadamente constante Considera-se em primeiro lugar que o interruptor e o díodo são ideais e i não se anular durante todo o período de comutação diz-se que o circuito funciona em regime de comutação contínua e i se anular durante parte do período o conersor funciona em regime de comutação descontínua 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 8

19 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) 4... egime de condução contínua Considerando que: O interruptor e o díodo são ideais (despreza-se a tensão quando conduzem) Quando o interruptor está fechado: A tensão na bobina ale: i () T Quando o interruptor está aberto: Conduz que assegura a continuidade da corrente na bobina, ficando: () i T () i () i Conjugando as duas equações de ariação da corrente na bobine: () () i i T T egime de condução contínua Considerando que as tensões no interruptor e no díodo alem e, respectiamente, o rendimento ale: Pela conseração da energia, com e os alores médios das correntes no interruptor e no díodo, respectiamente Considerando passa por durante T e pelo díodo durante (-)T O 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 9

20 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) O tremor da tensão de saída calcula-se sabendo que durante o interalo T o díodo está cortado e o condensador descarrega-se sobre a resistência: T C C T O regime de condução contínua mantém-se enquanto: T i T f 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

21 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) 4... egime de condução descontínua Quando o interruptor está fechado: A tensão na bobina ale: i () T Quando o interruptor está aberto (antes de se anular i ): Conduz que assegura a continuidade da corrente na bobina, ficando: i ( ) T Quando o interruptor está aberto (depois de se anular i ): A corrente na bobina i = i Conjugando as duas equações de ariação da corrente na bobine: () () i i T T Para determinar : T T T T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

22 4.. Conersor redutor-ampliador (buck-boost) 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) O interruptor abre e fecha periodicamente com uma frequência de comutação f =/T A fracção do período em que o interruptor está fechado representa-se por e denomina-se factor de ciclo (duty-cycle): A resistência e o condensador C, apresentam uma constante de tempo muito superior ao período de comutação:, C T Em consequência a tensão de saída é aproximadamente constante Considera-se em primeiro lugar que o interruptor e o díodo são ideais e i não se anular durante todo o período de comutação diz-se que o circuito funciona em regime de comutação contínua e i se anular durante parte do período o conersor funciona em regime de comutação descontínua 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt

23 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) 4... egime de condução contínua Considerando que: O interruptor e o díodo são ideais (despreza-se a tensão quando conduzem) Quando o interruptor está fechado: A tensão na bobina ale: i () T Quando o interruptor está aberto: Conduz que assegura a continuidade da corrente na bobina, ficando: () i T () i () i Conjugando as duas equações de ariação da corrente na bobine: () () i i T T egime de condução contínua Considerando que as tensões no interruptor e no díodo alem e, respectiamente, o rendimento ale: Pela conseração da energia, com e os alores médios das correntes no interruptor e no díodo, respectiamente Considerando passa por durante T e pelo díodo durante (-)T O 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 3

24 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) O tremor da tensão de saída calcula-se sabendo que durante o interalo T o díodo está cortado e o condensador descarrega-se sobre a resistência, deendo ter-se em atenção que e são negatios: C T C T O regime de condução contínua mantém-se enquanto: i T f 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 4

25 4. Conersor ampliador e redutor-ampliador (cont.) 4... egime de condução descontínua Quando o interruptor está fechado: A tensão na bobina ale: i () T Quando o interruptor está aberto (antes de se anular i ): Conduz que assegura a continuidade da corrente na bobina, ficando: T () i Quando o interruptor está aberto (depois de se anular i ): A corrente na bobina i = i Conjugando as duas equações de ariação da corrente na bobine: () () i i T T Para determinar : T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 5

26 5. Conersor em ponte 5.. efinições Os conersores anteriores (redutor, ampliador e redutor-ampliador) são de um quadrante porque a tensão e acorrente de saída só podem ter um sentido: O ponto de funcionamento no plano (, ) situa-se sempre no mesmo quadrante Os conersores de meia ponte e de ponte completa são de dois quadrantes ou de quatro quadrantes 5.. Conersor em meia ponte Os transístores que realizam os interruptores e são comandados por tensões complementares, de modo que num período conduz durante T e durante (-)T ligado: ligado: ( ) i T () i T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 6

27 5. Conersor em ponte (cont.) 5.3. Conersor em ponte A duplicação do número de interruptores, em relação ao circuito em meia ponte, permite que se use apenas uma fonte de tensão x < T (-)T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 7

28 6. esumo dos conersores Conersor edutor Conersor Ampliador Conersor edutor-ampliador Esquema egime de condução contínua Condição endimento d f T 8C f f f O T C C T C f O T C T egime de condução descontínua Cálculo de T T T 3/8/5 Electrónica Geral º semestre 5/6 (MEFT,MEAer) jabg@tecnico.ulisboa.pt pitor@ist.utl.pt 8