Introdução: O conversor DC para DC ou chopper, como costuma ser denominado, é usado para obter uma tensão DC variável a partir de uma fonte de tensão DC constante. Com este trabalho experimental procurámos testar a teoria que suporta os conversores DC-DC (step-down converter, step-up converter, step-down/step-up converter, etc). Os conversores DC-DC têm grande aplicação a regular fontes de DC, chaveamento de alimentadores de potência, UPS, equipamentos operados por bateria e em aplicações com motores DC para tracção eléctrica. Fundamentalmente um conversor CC-CC utiliza um ou mais interruptores para transformar um nível de tensão CC noutro nível desejado. Além disso, para obter essa conversão é normalmente utilizado um indutor, um capacitor. Neste trabalho tínhamos como objectivo implementar um conversor step-up, no qual elevamos uma tensão cc de 24V para uma de 100V, também cc. Realização Experimental: A montagem utilizada no elevador foi: Uma bobina, um condensador e um diodo ligados a uma carga. Controlados por um interruptor (neste caso um Power Mosfet ). Que constituem o circuito básico do conversor elevador. (imagempsim) Valor dos componentes utilizados no conversor: L R(Res. Intr. Da Bob.) C R(carga) 1mH 2 Ω 2.7mF 100 Ω Os valores da tensão máxima suportada pelo Power Mosfet e pelo o díodo são de V max =200V uma vez que a norma a utilizar para segurança na utilização dos mesmos prevê uma tensão suportável na ordem do dobro da esperada.
Principio de funcionamento do circuito: Usa-se o indutor L para fornecer uma corrente linear na entrada. Existe uma certa ondulação na corrente de entrada que é considerada desprezável devido à acção repetida de switching dar-se em altas frequências. O interruptor ao passar para o estado ligado (On-State), irá ter como consequência a ligação da bobina à alimentação, carregando-a. Ao passar para Off-state ( Interruptor desligado) a corrente cairá de modo violento e a energia armazenada na bobina será transferida para o condensador através do díodo,funcionando a bobina como uma fonte de corrente. O díodo, como elemento rectificador que é, deixando apenas a corrente fluir num sentido, obriga o condensador a descarregar-se pela resistência da carga. Em condições ideais, a perda de potência do conversor é zero. Portanto, a saída de potencia é igual á potência de entrada. No nosso circuito um Power Mosfet tinha o papel de interruptor, controlado por um circuito de comando. O circuito de comando é constituído por um comparador entre uma tensão DC e uma onda triangular ( dentes de serra ). Através do comparador temos t on quando a tensão da onda triangular é inferior a tensão DC e temos t off quando a tensão da onda triangular é superior á tensão DC. (fig 7.3 Power electronics pag. 163) Para realizar o circuito de comando utilizamos um TL594 para gerar as duas ondas necessárias (tensão DC e onda triangular) e um driver UCC27324 para alimentar o Power Mosfet (IRFP260N), à corrente necessária (4 A). Obtida a partir da simulação do PSIM. Na ligação do Power Mosfet ao circuito de potência a gate está ligada ao circuito de comando atrás referido, o drain está ligada entre a bobina e o díodo e a source á massa. Como já se referiu, neste trabalho queremos elevar uma tensão de 24V para uma de 100V. Usando uma razão de proporção concluímos que usando uma onda de dentes
de serra com um pico de 1V, a tensão de controlo cc deve ser de 0.76V (ou seja 76% do máximo da onda triangular). (foto breadboard) Vo Vi 1 t ( on) = =0.76 V, em que D= 1 D Ts Um dos métodos, o utilizado, para controlar a tensão de saída é a modulação do duty cycle a uma frequência constante, chamado PWM (pulse width modulation). O método não utilizado envolve tanto a variação de frequência como a variação do duty cycle, mais complexo e que requer o uso de tíristores. Ao aplicar uma tensão de entrada o valor médio da saída é controlada pela mudança de duração de t(on) e t(off), que somados são um período T(s). Resultados e Discussão: L 4.1mH 1mH R 2 Ω desprezável C 2.7mF 2.7mF Ro 33 Ω 100 Ω Vi 13.5 V 10V Vo 47V 50V Vgs 12V 13V Amplificação(elevação) x3.5 x5
Os valores obtidos na realização experimental, não foram totalmente de encontro aos obtidos no simulador (psim). Este facto deve-se: Bobina não ideal, possuindo uma resistência intrínseca elevada devido à sua produção artesanal. Isto implica também um acréscimo das perdas na bobina, afectando o seu rendimento. (Foi usado um segundo condensador no circuito de potencia para diminuir à ondulação(ripple) na saída Os efeitos dos elementos parasitas num conversor cc-cc step-up são devidos a perdas associadas à bobina, ao condensador, ao díodo e ao Mosfet. Ao contrário da característica ideal, Vo/Vi baixa à medida que o duty cycle se aproxima da unidade. Estes elementos parasitas foram ignorados neste trabalho, contudo podem ser incorporados em simulações avançadas por computador destes conversores.
Caso RL (resistência parasita da bobina) for igual a zero, estamos no caso ideal assumido acima. Caso contrário podemos ver a situação em que R/RL=100 (a verde na figura) ou um caso ainda pior em que R/RL=10 (a vermelho). Conclusão: Tanto a o step-up, o step-down e os outros conversores cc-cc, na sua forma básica são capazes de transformar energia numa só direcção. Consequência da sua capacidade para produzir apenas voltagem e corrente unidireccional. Em todos os conversores, a comutação do interruptor não causa descontinuidade no valor da corrente e da tensão.