PROJETO FONTE CHAVEADA FORWARD

IFES - INSTITUTO FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO Abílio Marcos Coelho de Azevedo PROJETO FONTE CHAVEADA FORWARD Trabalho apresentado ao professor Ricardo Brioschi da coordenadoria de Engenharia Elétrica do Instituto Federal do Espírito Santo - IFES Vitória, 26 de junho de 2016

SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO... 3 2. DESCRIÇÃO DO PROJETO... 3 3. CÁLCULOS DO PROJETO... 4 3.1 Equações do conversor para as correntes de entrada e saída e as tensões no transistor e no diodo.... 4 3.2 Resistencia da carga Rmin... 4 3.3 Esforços nos elementos... 4 3.4 Valores das indutâncias e o capacitor de saída para as especificações dadas anteriormente.... 5 3.5 Número de espiras do transformador e da indutância de saída.... 5 3.6 Diametro do fio dos enrolamentos do transformador... 6 3.7 Circuito de Controle... 6 3.8 Feedback isolado... 7 4. LISTA DE COMPONENTES... 8 4.1 Componentes Semicondutores... 8 4.2 Componentes Lineares... 8 4.3 Componentes do Transformador... 8 5. DIAGRAMA DO CIRCUITO... 9 6. SIMULAÇÃO... 10 7. MONTAGEM DO PROJETO... 10 7.1 Transformador... 10 7.2 Circuito de controle... 11 8. RESULTADOS... 12 8.1 Circuito de Controle... 12 8.2 Tensão Mínima 20V... 13 8.3 Tensão Máxima 26V... 18 8.4 RENDIMENTO... 23 9. CONCLUSÕES... 23 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 24

3 1. INTRODUÇÃO Fontes chaveadas são utilizadas em diversar aplicações, aonde se deseja converter certo nivel de tensão CC (V!" ) para outro nivel de tensão CC (V!"# ). A fonte chaveada tipo Buck é uma fonte que abaixa a tensão de entrada de acordo com o acionamento do transistor T (Imagem 1). Imagem 1: Estrutura de um conversor do tipo BUCK [1]. A fonte chaveada tipo Forward é similar a Buck porém com isolamento. Temos um transformador com três enrolamentos: primário (entrada do circuito) segundário (saída do circuito) e o enrolamento de desmagnetização (para evitar a saturação do trafo). Imagem 2: Estrutura de um conversor do tipo Forward [1]. 2. DESCRIÇÃO DO PROJETO Esse trabalho teve por objetivo projetar uma fonte chaveada do tipo Forward com as seguintes características: - Tensão de entrada 20-26V; - Tensão de saída 18V; - Corrente máxima de saída 300mA;

4 - Frequência de chaveamento 35kHz; - Rendimento: 𝜂 75%; - Ciclo de trabalho máximo: 𝑘!"# 0,45; - Ripple: 𝑉! 5%. Foi utilizado o transistor MOSFET IRFP250. O transformador utilizado possui as seguintes características: 𝑘! 0,5, 𝑘! 0,4, J 300 A/cm2, 𝑉! 1V, 𝐵 0,18T, 𝐵!"# 0,2T. Para o procedimento de projeto e de montagem, foi utilizado como referência o livro Projeto de Fontes Chaveadas do professor Ivo Barbi [1]. 3. CÁLCULOS DO PROJETO 3.1 Equações do conversor para as correntes de entrada e saída e as tensões no transistor e no diodo. 𝑃!"# 18𝑉 300𝑚𝐴 5,4𝑊 1,2 𝑃!"# 1,2 5,4 𝐼!!!"# 960𝑚𝐴 𝜂 𝑉!!!"# 𝑘 0,75 20 0,45 𝑁! 𝐼!"# 300𝑚𝐴 𝑁! 𝐼!" 𝑁! 𝐼!"# 0,3125 𝑁! 𝐼!" 960𝑚𝐴 𝑁! 1 1 1 1 1,22 𝑁! 𝑘!"# 0,45 3.2 Resistencia da carga 𝑹𝒎𝒊𝒏 𝑅!"# 3.3 Esforços nos elementos 𝑉!"# 18𝑉 60Ω 𝐼!"# 300𝑚𝐴 𝑉!" 26𝑉 57,78𝑉 𝑘!"# 0,45 𝑁! 𝑉!!!"# 26 Diodo Serie Saida (𝑉!! ): 𝑉!!!"# 0,3125 9,9125 𝑉 𝑁! 1 N! 𝑁! 1,22 𝑁 Diodo Paralelo Saida (𝑉!! ):! 𝑉!!!"# 𝑉 0,3125 26 8,125 𝑉 𝑁!!!!"# 𝑁! 26 Diodo Desmagnetização (𝑉!! ): 𝑉!! 𝑉!!!"# + 𝑉!!!"# 26 + 𝑁! 1,22 47,31𝑉 Transistor (𝑉!" ): 𝑉!"

5 3.4 Valores das indutâncias e o capacitor de saída para as especificações dadas anteriormente. Indutor de Filtragem 𝐿 𝐼! 𝐿 𝑃!"# 5,4𝑊 270𝑚𝐴 𝑉!!!"# 20𝑉 𝑁 𝑉!!!"# 𝑁! 𝑘 (1 𝑘)! 𝑓!!!"#!$#%&' 𝐼! 𝑉! 26𝑉 0,3125 0,45(1 0,45) 4,26𝑚𝐻 35000 0,27 0,05 Capacitor de Filtragem C (considerando 𝜍 0,707) 𝜍 1 𝐿 𝐿 4,26𝑚𝐻 𝐶! 591,7 𝑛𝐹 2𝑅 𝐶 2𝑅 2 60! Frequencia de Ressonância (adotando 470𝑛𝐹) 𝑓! 1 2 𝜋 𝐿𝐶 1 2 𝜋 4,26𝑚𝐻 470𝑛𝐹 3556,86 𝐻𝑧 Este valor é superior ao da frequencia de chaveamento, portanto, aceitavel. 3.5 Número de espiras do transformador e da indutância de saída. Escolheu-se o núcleo NEE 42/21/15, com 𝐴𝑒 1,81 𝑐𝑚! 𝐴𝑤 1,57 𝑐𝑚! e 𝐴𝑒. 𝐴𝑤 2,84 𝑐𝑚!, para termos um número de espiras menor. Imagem 3: Dimensões do núcleo de ferrite escolhido para o projeto[2]. 𝑁! 𝑉!!!"# 20 8,7696 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠!! 2 𝐴! Δ𝐵 𝑓 2 1,81 10 0,18 35000

6 𝑁! 8,7696 28,0627 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 0,3125 0,3125 𝑁! 8,7696 𝑁! 7,19 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 1,22 1,22 No secundário iremos aumentar em 10% o número de espiras para compensar as perdas: 𝑁! 1,1 𝑁! 30,86897 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 𝑁! 3.6 Diametro do fio dos enrolamentos do transformador Diametro do fio considerando J 300 𝐴/𝑐𝑚!. Tendo as seguintes opções: 24 𝐴𝑊𝐺 0.5106 𝑚𝑚! (diametro) 0.2047𝑚𝑚! (Área da Seção Transversal) 33 𝐴𝑊𝐺 0.1798 𝑚𝑚! (diametro) 0.0254 𝑚𝑚! (Área da Seção Transversal) 𝑆!" 𝐼!" 0,3 𝐴 0,001 𝑐𝑚! 0,1 𝑚𝑚! 𝐽 300 𝐴/𝑐𝑚! Escolhemos assim o fio de 24 AWG. Como o núcleo tem dimensões de 1,22 𝑐𝑚 𝑥 1,55 𝑐𝑚, 𝑀𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠!"# 1,22 + 1,55 2 31 + 8 + 9 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠 2,6292 Vamos aproximar para 3m de fio de cobre esmaltado. 3.7 Circuito de Controle Para limitarmos o ciclo de trabalho em 50% vamos usar somente um transistor interno do CI TL494, assim temos que projetar a frequencia de trabalho do CI para o dobro da que desejamos: 2 35𝑘𝐻𝑧 70𝑘𝐻𝑧. Usando o grafico do datasheet do CI, temos uma capacitancia de 1nF e uma resistência de 15𝑘Ω. Assim temo uma frequência de chaveamento de 35kHz. Imagem 4: Grafico da frequencia de oscilação vs resistencia(rt) e capacitancia (CT) do CI TL494[3].

7 3.8 Feedback isolado Para isolarmos o circuito de entrada do circuito de saída temos que isolar a realimentação do circuito. Para isso utilizamos o CI TIL111. Com o intuito de projetar o resistor que vai em série com o diodo emissor (Imagem 5), utilizamos o gráfico da corrente no coletor vs corrente direta no diodo (Imagem 6), na região linear. Como teremos uma saída de 18V, projetaremos uma corrente I! 5,5mA (aproximadamente no centro da região linear da curva): R!"#!# 18 V 3272,73Ω 3k3 Ω 5,5mA A corrente equivalente no transistor para I! 5,5mA é de aproximadamente I! 8 ma. Para termos um feedback na faixa do CI 494, colocaremos 12 V no coletor do transistor (CI TIL111), portanto o resistor que ficará no emissor do transistor será de: R!"#$%&%!'" 12 V 8 ma 1500 Ω Imagem 5: Esquemático interno do CI TIL111 [4] Imagem 6: Gráfico da corrente no coletor vs corrente direta no diodo [4]

8 4. LISTA DE COMPONENTES 4.1 Componentes Semicondutores 1 x CI TL494 [3] ; 1 x IRFP250N; 3 x DIODOS U1540; 1 x CI TIL111 [4] ; 4.2 Componentes Lineares 1 x RESISTOR 680 Ω 1/4W; 2 x RESISTOR 1k Ω 1/4W; 1 x RESISTOR 1k5 Ω 1/4W; 1 x RESISTOR 3k3 Ω 1/4W; 2 x RESISTOR 5k6 Ω 1/4W; 1 x RESISTOR 10k Ω 1/4W; 1 x RESISTOR 47k Ω 1/4W; 1 x RESISTOR 1M Ω 1/4W; 1 x RESISTOR 60 Ω 6W; 1 x RESISTOR 1k Ω 1W; 1 x CAPACITOR 220 uf (eletrolítico); 1 x CAPACITOR 100 nf (cerâmica); 1 x POTENCIÔMETRO DE 10K; 1 x POTENCIÔMETRO DE 1K; 1 x INDUTOR 4,5 mh; 4.3 Componentes do Transformador 1 x NUCLEO DE FERRITE NEE42/21/15 [2] ; 3 x METRO FIO DE COBRE ESMALTADO 24 AWG.

9 5. DIAGRAMA DO CIRCUITO Imagem 7: Diagrama do circuito. Fonte: Autor

10 6. SIMULAÇÃO Imagem 8: Gráfico da simulação no Multisim[5]. Fonte: Autor 7. MONTAGEM DO PROJETO 7.1 Transformador Montou-se o transformador com o número de espiras arredondado para cima e aplicou-se no primário um sinal senoidal de 5V pico a pico, o valor lido pelo osciloscópio foi de 4,985V. No secundário o valor lido foi de 16,9V, então a relação de espiras entre o primário e secundário ficou: 𝑁! 4,985V 0,295 𝑁! 16,9𝑉

11 No enrolamento de desmagnetização foi lido o valor de 3,6𝑉, então a relação entre o primário e enrolamento de desmagnetização ficou: 𝑁! 4,985V 1,3847 𝑁! 3,6V Imagem 9: Transformador montado. Fonte: Autor 7.2 Circuito de controle Para melhor regulagem do circuito de controle, utilizou-se potenciômetros de ajuste para chegarmos aos valores desejados de frequência de oscilação e tensão de feedback. Posteriormente, pode-se ler os valores dos potenciômetros e substitui-los por resistências mais precisas. Através do osciloscópio confirmamos a frequência de chaveamento de 35𝑘𝐻𝑧. Imagem 10: Circuito montado. Fonte: Autor

12 8. RESULTADOS 8.1 Circuito de Controle Imagem 11: Rampa no capacitor CT. Fonte: Autor Imagem 12: Ciclo de trabalho na saída E! do CI TL494. Fonte: Autor

13 Imagem 13: Tensão na porta de feedback. Fonte: Autor 8.2 Tensão Mínima 20V Imagem 14: Tensão no Mosfet V!". Fonte: Autor

14 Imagem 15: Tensão no Mosfet V!". Fonte: Autor Imagem 16: Tensão na Carga de 1k Ω. Fonte: Autor

15 Imagem 17: Tensão na Carga máxima de 60 Ω. Fonte: Autor Imagem 18: Tensão no primário do transformador. Fonte: Autor

16 Imagem 19: Tensão no secundário do transformador. Fonte: Autor Imagem 20: Tensão no enrolamento de desmagnetização. Fonte: Autor

17 Imagem 21: Tensão sobre o diodo de saída série. Fonte: Autor Imagem 22: Tensão sobre o diodo de saída paralelo. Fonte: Autor

18 Imagem 23: Tensão sobre o indutor de saída. Fonte: Autor 8.3 Tensão Máxima 26V Imagem 24: Tensão no Mosfet V!". Fonte: Autor

19 Imagem 25: Tensão no Mosfet V!". Fonte: Autor Imagem 26: Tensão na Carga de 1k Ω. Fonte: Autor

20 Imagem 27: Tensão na Carga máxima de 60 Ω. Fonte: Autor Imagem 28: Tensão no primário do transformador. Fonte: Autor

21 Imagem 29: Tensão no secundário do transformador. Fonte: Autor Imagem 30: Tensão no enrolamento de desmagnetização. Fonte: Autor

22 Imagem 31: Tensão sobre o diodo de saída série. Fonte: Autor Imagem 32: Tensão sobre o diodo de saída paralelo. Fonte: Autor

23 Imagem 33: Tensão sobre o indutor de saída. Fonte: Autor 8.4 RENDIMENTO O rendimento de nossa fonte Forward pode ser calculado com a tensão e corrente de entrada da fonte de alimentação, e a tensão e corrente de saída (carga máxima): V!" 20V (lida da fonte de alimentação) I!" 0,41A (lida da fonte de alimentação) V!"# 17,78 V (lida da fonte de alimentação) I!"# 0,3A (lida da fonte de alimentação) η P!"# V!"# I!"# 17,78 0,3 0,6838 68,4% P!" V!" I!" 20 0,39 9. CONCLUSÕES Com este trabalho pode-se perceber a diferença entre a teoria e a prática, a diferença entre circuitos simulados (com componentes ideais) e circuitos montados (com componentes reais).

24 Os cálculos do projetos se mostraram bons na prática, porém o número de espiras no secundário poderia ser aumentado para se alcançar a potência de saída desejada (18V e 300mA) com mais facilidade (menor ciclo de trabalho). A maior dificuldade do projeto se encontrou na montagem do circuito, regulação dos componentes e parâmetros. Percebeu-se que a montagem em protoboard causa ruídos, pelo fato das altas frequências envolvidas e o número de jumpers. Uma montagem em placa de circuito impresso (PCB Printed circuit board ) geraria resultados melhores. Conseguimos obter os resultados propostos na descrição do projeto depois de muitos ajustes, principalmente no circuito de realimentação isolada, porém o rendimento ficou abaixo do esperado (75%), justificado pelas perdas do transformador e nos elementos semicondutores e resistivos do circuito. 10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BARBI, IVO, Projeto de Fontes Chaveadas Edição do Autor, 3a Edição - Fonte: <http://ivobarbi.com/livros/>, disponível em 22 de junho de 2016. [2] Datasheet Núcleo de Ferrite da empresa Thornton Fonte: <http://www.thornton.com.br/pdf/nee_42_21_15.pdf>, disponível em 22 de junho de 2016. [3] Datasheet TL494, Circuito para Modulação por Largura de Pulso (PWM) Fonte: <http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl494.pdf>, disponível em 22 de junho de 2016. [4] Datasheet TIL111, Optoacoplador - Fonte: <https://www.egr.msu.edu/eceshop/parts_inventory/datasheets/til111.pdf>, disponível em 22 de junho de 2016. [5] Multisim Software de simulação de circuitos da empresa National Instruments - Fonte: <http://www.ni.com/multisim/pt/>, disponível em 22 de junho de 2016.