ELETRÔNICA DE POTÊNCIA I Conversor Buck Módulo de Potência APARATO UTILIZADO: Você recebeu uma placa com de circuito com o circuito cujo esquema é mostrado na figura 1. O circuito é composto por um retificador monofásico em ponte com um capacitor de filtragem de 5000uF/79V em cujos terminais encontramos uma tensão contínua de aproximadamente. O circuito de potência do conversor Buck é composto por um FET de canal P (IRF9630) cujas especificações são 200V CCmax e 6A CCmax, que é acionado por um transistor bipolar NPN BC546 cuja tensão máxima é 60V e corrente máxima de 100mA. O diodo de rotação C1 tem a finalidade de permitir o retorno da energia armazenada no indutor L1 (ligado entre os terminais 9 e 8) quando o mesmo é utilizado. Existe possibilidade de incorporar um capacitor (C2) em paralelo com a saída utilizando o jumper associado ao mesmo. Este módulo pode operar em malha aberta para a realização de operações preliminares Figura 1 O diagrama de blocos da figura 2 mostra as funcionalidades do módulo de potência, enquanto que a figura 3 mostra uma foto com a indicação dos bornes relacionados com essas funcionalidades. Bornes relativos às funcionalidades: 1. Entrada CA1 (Uma das fases de entrada CA) 2. Entrada CA2 (Outra fase) 3. Tensão do terminal central do potenciômetro de controle. 4. Entrada do sinal modulador (referência para geração do sinal PWM) 5. Entrada do gerador de sinais (onda triangular polarizada com 5V de pico) 6. Saída para o sistema de controle com 10% da tensão CC de saída. 7. Terra ou referência geral do circuito (terminal de saída negativo da tensão CC). 8. Terminal de saída positivo da tensão CC. 1
9. Um dos terminal de entrada do indutor de filtragem. 10. Outro terminal de entrada do indutor de filtragem. 11. Entrada de controle digital (se houver um microcontrolador acoplado ao circuito) Seletores de operação: a) Seletor Analógico/Digital: Com o jumper colocado a esquerda (conforme a foto) a operação ocorrerá com base no comparador LM311 utilizando sinais externos de onda triangular (modulada) e tensão de controle (modulante) do PWM. A colocação a direita (Digital deve ser utilizada se o controle for feito por um microcontrolador PIC ou ATmega) b) Seletor com capacitor/sem capacitor: Com o jumper colocado a esquerda o circuito opera sem o capacitor de 100uF, o que é interessante para observar a modulação PWM do circuito, quando os terminais do indutor (9 e 10) estiverem curto-circuitados. Colocado a direita o capacitor filtrará os ruídos de saída e permitirá uma tensão CC de melhor qualidade, mas este efeito repousa quase que totalmente no indutor, sem o qual o ripple (zumbido ou oscilação) da tensão CC da saída é muito grande. Figura 2 Descrição do circuito: 1. O retificador de entrada tem a finalidade de gerar uma tensão CC para o funcionamento do recortador, mas se já estivesse disponível uma fonte CC, tal como uma bateria ou uma célula solar, essa tensão contínua poderia ser utilizada diretamente para a obtenção de uma tensão CC menor (o conversor Buck é um conversor CC->CC abaixado). 2. O FET IRF9630 é uma chave que energiza e desenergiza o circuito de saída periodicamente sob o controle do transistor NPN BC546B que quando ativado (ON) aplica uma tensão de aproximadamente 15V (através do resistor de 2k2) entre os terminais de fonte e gatilho do FET, curtocircuitando, praticamente os terminais de fonte e dreno do FET. 2
Figura 3 3. O transistor BC546B é ativado diretamente pelo comparador LM311, que deve ter em sua saída, um resistor de pull-up ligado a tensão de alimentação do mesmo (5V no caso) 4. O comparador compara a onda triangular (sinal modulado) aplicada à sua entrada negativa com o sinal de controle aplicado em sua entrada positiva (sinal modulador) gerando o sinal PWM que controla o FET, via BC546B. A onda triangular deve ser polarizada com sua base na tensão zero e sua tensão de pico igual a 5V. Isso é feito por controle externo de algum tipo. 5. O LM311 assim como o potenciômetro são alimentados por uma tensão de 5V obtida através de um diodo zener ligado em série com um resistor de 3,3k entre o terminal de referência (terra) e a tensão de 50V, orinda do sistema de retificação. O diodo zener está colocado ao lado do terminal 4 da figura 3. 6. Se os terminais 9 e 10 estiverem curto-circuitados e o capacitor desligado, observaremos uma tensão quadrada na saída, definida pela operação PWM. 7. A inserção de um indutor entre os terminais 9 e 10, tem sua eficácia relacionada a frequência de operação do PWM, para baixas frequência de PWM o indutor deve ter indutância maior a medida que a frequência aumenta o indutor pode ter sua indutância reduzida. Note que o diodo rápido (próximo ao borne de número 9) tem a finalidade de fazer a energia do indutor circular somente no circuito de saída, o que não afeta a operação do FET. A falta desse diodo resultaria em picos de tensão elevada entre fonte e dreno do FET comprometendo este dispositivo. 3
8. O aumento da frequência operacional do circuito diminui o ripple de tensão na saída por aumentar a eficiência tanto do indutor como do capacitor de 100uF, porem há uma relação de compromisso, já que o aumento de chaveamento aumenta a temperatura operacional do FET, de modo que a frequência de chaveamento deve ser limitada a cerca de três dezenas de khz. OPERAÇÃO DO MÓDULO EM MALHA ABERTA O módulo foi elaborado para operar tanto em malha aberta como fechada. A operação em malha aberta é direta, enquanto que a operação em malha fechada pode ser realizada tanto por um controlador analógico como por microcontroladores, para operar nesse modo a placa deve receber o suporte de outras placas projetadas para esse fim e que serão discutidas posteriormente. Procedimento experimental: a) Curto-circuite os terminais 9 e 10. b) Coloque o seletor de capacitor em desligado. c) Conecte os terminais 3 e 4. d) Utilize um gerador de sinais com onda triangular para aplicar uma onda triangular de 5V de pico e 1000Hz despolarizada com a base inferior em zero Volt. e) Utilize a caixa de resistências colocando os seis resistores da mesma em paralelo, isso deve fornecer uma resistência de carga de 122/6 Ω. f) Conecte os terminais do resistor de aproximadamente 20Ω (caixa de resistências) aos terminais De saída CC do módulo de potência. g) Aplique 36V(rms) na entrada do circuito. h) Verifique se a tensão no ponto de teste PT1 é de aproximadamente 50V i) Verifique se a tensão entre o catodo e o anodo do diodo zener é de aproximadamente 5V. j) Coloque o osciloscópio com ponta de atenuação em 10x, ajustando-o para essa situação e verifique a forma de onda na saída do módulo. Você deve obter uma onda quadrada cujo ciclo de serviço varia em função da tensão de ajuste do potenciômetro, ou seja você deverá observar uma tensão PWM na saída CC do módulo. k) Uma vez que o módulo esteja funcionando, insira o indutor de 1H entre os terminais 9 e 10 e verifique a forma de onda da saída, ela deverá estar relativamente ruidosa, para melhora esta situação mude o seletor sem cap/com cap para a direito (com cap) e observe o efeito do capacitor sobre a componente CC. l) Varie a posição do potenciômetro para verificar o comportamento da tensão na carga CC do circuito. m) Meça a tensão do ponto de teste PT1. n) Se o circuito estiver operando adequadamente preencha a tabela abaixo: 4
Tabela de dados do módulo de potência: Tensão nos terminais do potenciômetro (borne 3) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Tensão CC na saída entre os bornes 8 e 7. Voltímetro CC Tensão do sensor de tensão CC entre os borne 6 e 7 (Voltim. CC) Ciclo de serviço (CS) CS=Vcc/VPT1 Antes de terminar, aumente mude o indutor para um do tipo toroidal, bem menor disponibilizado para você e aumente a frequência do gerador de ondas triangulares para 10kHz, verifique a qualidade da tensão CC gerada na saída. Qual é o efeito dessa mudança em termos de economia para a realização em escala da fonte de tensão? Trace os gráficos abaixo utilizando o Microsoft Exel. Tensão do borne 8 x tensão do borne 3 Tensão do borne 6 x tensão do borne 3 Tensão do borne 8 x tensão do borne 6 Ciclo de serviço x tensão do borne 3 Ciclo de serviço x tensão do borne 6 A figura 4 mostra a tensão de saída para a condição de indutor curtocircuitado e capacitor desligado, onde o efeito da modulação PWM é evidente. ) valor médio da tensão de saída (forma de onda quadrada amarela) é de aproximadamente 10V. A onda triangular polarizada (azul) tem 5V de pico e frequência de 1000Hz e é obtida diretamente a partir do gerador de funções mostrado a esquerda na foto da figura 4. 5
Figura 4 Figura 5(a) Figura 5(b) A figura 5(a) mostra a forma de onda da tensão de saída com o módulo,operando com 100Hz sem o efeito do capacitor, observa-se que o ripple de tensão é muito elevado nesta frequência, já a figura 5(b) mostra a mesma situação, mas com a frequência de chaveamento fixada em 1000Hz. Para o relatório: Discuta a relação entre a tensão do potenciômetro e a tensão de saída CC, existe uma correlação que permita explorar em malha fechada com o comportamento da tensão de saída em relação a tensão de controle (linearidade) Discuta o efeito da alteração do indutor maior por um toroidal pequeno sobre a qualidade da tensão de saída. Você observou algum efeito que possa prejudicar o comportamento do circuito neste frequência? Em anexo roteiro há dados sobre os componentes ativos utilizados na experiência. O que você acha da substituição do transistor BC546B por um transistor BC548A, B ou C? Discuta tudo o que foi realizado em seu relatório. 6