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FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E COMPUTAÇÃO - UNICAMP
EE 832 - LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA INDUSTRIAL
EXPERIÊNCIA 5
FONTES CHAVEADAS
5.1 Modulação por Largura de Pulso - MLP (PWM)
A implementação de uma fonte de alimentação linear, partindo-se de uma fonte CC não regulada, apresenta como características uma boa regulação e razoável resposta a transitórios. No entanto, seu grande inconveniente é a baixa eficiência, uma vez que a diferença entre a tensão de entrada e a tensão da carga recai sobre o elemento regulador, normalmente um transistor. Sendo a corrente da carga a mesma corrente que atravessa o elemento regulador, tem-se uma elevada dissipação de potência sobre o transistor. Isto significa que é praticamente inviável a construção de fontes de tensão (principalmente as de valor ajustável) de potência considerável (acima de algumas dezenas de Watts) utilizando esta técnica. Uma outra alternativa é o uso de retificadores (conversão CA/CC) controláveis. Neste caso tem-se uma elevada eficiência. Para a obtenção de uma tensão CC com baixa ondulação é necessária a inclusão de filtros de saída, tipicamente do tipo LC (passa-baixas). Como a freqüência da ondulação é baixa, os elementos de filtragem são de valor elevado e volumosos. A resposta dinâmica a transitórios é lenta devido à resposta do filtro. Uma terceira alternativa que associa alta eficiência com valores reduzidos de elementos de filtragem são as fontes chaveadas. O elemento regulador é um transistor que trabalha como chave, e não na região linear. Sendo elevada a freqüência de chaveamento, os elementos do filtro de saída são proporcionalmente reduzidos, contribuindo para a obtenção de elevadas densidades de potência. Apresenta-se uma descrição da Modulação por Largura de Pulso (MLP, ou PWM - Pulse Width Modulation), método mais utilizado no comando de fontes chaveadas. A seguir são vistas algumas estruturas circuitais básicas que realizam a função de, a partir de uma fonte de tensão fixa na entrada, fornecer uma tensão de valor variável na saída. Uma análise mais detalhada é apresentada apenas para o conversor abaixador de tensão, embora procedimentos análogos de análise possam ser aplicados às demais topologias. Teoricamente, considerando dispositivos chaveadores ideais, a eficiência das fontes chaveadas é 100%, enquanto o valor típico para fontes lineares é 50%. Podemos definir uma fonte chaveada como aquela na qual o fluxo de potência é gerado, controlado e regulado por meio de um dispositivo chaveador. Considerando uma fonte linear e uma chaveada para fornecer a mesma potência, podemos estabelecer alguns itens de comparação entre ambas, apresentando valores típicos, como mostrado na tabela 5.I. TABELA 5.I Comparação de fonte linear e fonte chaveada Tipo Chaveado Tipo Linear Eficiência 80% a 95% 25% a 50% Ondulação (para iguais capacitores)
20 mV a 50 mV 5 mV
Peso 2 kW/kg 0,5 kW/kg Volume 10 cm /W 3 50 cm /W^3 Interferência RF alta desprezível Rejeição a Transientes alta baixa
5.2 Modulação por Largura de Pulso - MLP (PWM)
Tomemos como exemplo a figura 5.1 na qual se mostra uma estrutura chamada abaixadora de tensão (ou “buck”). Tal topologia será detalhadamente estudada na seqüência do texto.
E
T D vo
L CRVo
E
Vo
vo
t (^) T t
Figura 5.1 Conversor abaixador de tensão e forma de onda da tensão sobre o diodo.
Considerando chaves semicondutoras ideais, elas estão ou no estado bloqueado ou em plena condução. A tensão média de saída depende da relação entre o intervalo em que a chave permanece fechada e o período de chaveamento. Define-se ciclo de trabalho (largura de pulso ou razão cíclica) como a relação entre o intervalo de condução da chave e o período de chaveamento. Em MLP opera-se com freqüência constante, variando-se o tempo em que a chave permanece ligada. O sinal de comando é obtido, geralmente, pela comparação de um sinal de controle (modulante) com uma onda periódica (portadora) como, por exemplo, uma "dente-de-serra". A figura 5.2 ilustra estas formas de onda. Para que a relação entre o sinal de controle e a tensão média de saída seja linear, como desejado, a portadora deve apresentar uma variação linear e, além disso, a sua freqüência deve ser, pelo menos, 10 vezes maior do que a modulante, de modo que seja relativamente fácil filtrar o valor médio do sinal modulado (MLP), recuperando, sobre a carga, uma tensão contínua proporcional à tensão de controle (v ).c
vc
vp
vp
vc
vo vo
Vo
Figura 5.2 Modulação por Largura de Pulso.
5.2.1 Espectro Harmônico de Sinal MLP
A figura 5.3 mostra a modulação de um nível contínuo, produzindo uma tensão com 2 níveis, na freqüência da onda triangular. Na figura 5.4 tem-se o espectro desta onda MLP, onde observa-se a presença de uma componente contínua que reproduz o sinal modulante. As demais componentes aparecem nos múltiplos da freqüência da portadora sendo, em princípio, relativamente fáceis de filtrar dada sua alta freqüência.
Se a corrente pelo indutor não vai a zero durante a condução do diodo, diz-se que o circuito opera no modo de condução contínua. Caso contrário tem-se o modo de condução descontínua. Via de regra prefere-se operar no modo de condução contínua devido a que, neste caso, a relação entre as tensões de entrada e de saída depender apenas da largura de pulso. A figura 5.6 mostra as formas de onda típicas de ambos os modos de operação.
5.3.1 Modo de condução contínua
A obtenção da relação entrada/saída pode ser feita a partir do comportamento do elemento que transfere energia da entrada para a saída. Sabe-se que a tensão média sobre uma indutância, em regime, é nula, como mostrado na figura 5.7.
i
T
D
0
Condução contínua Condução descontínua
(^) Io
Vo
E
0
t
o
i
i
v
D
t (^) T Io
E Vo
t tx T Io
Figura 5.6 Formas de onda típicas nos modos de condução contínua e descontínua
A
A
V
V
t1
v L
Figura 5.7 Forma de onda simplificada de tensão sobre uma indutância, em regime permanente.
A A
Vt V t
1 1 2 1
No caso do conversor abaixador, quanto T conduz, v =E-Vo, e quando D conduz, v =-Vo.L L Do balanço de tensões obtém-se:
( E Vo t) Vo ( t )
Vo E
t
T T T
5.3.2 Modo de condução descontínua
A corrente do indutor será descontínua quando seu valor médio for inferior à metade de seu valor de pico (Io<I /2). A condição limite é dada por:o
Io
i E Vo t L
EVo L
o^ ^ T^
Com a corrente sendo nula durante o intervalo tx, tem-se:
( EVo t )^ TTxVo ( ^ ^ t t ) (5.4)
Vo E t^ x
Pode-se rescrever esta relação em termos de variáveis conhecidas. A corrente média de entrada é:
I
i i
o max 2
onde:
i
EVo t o (^) L
T max
Desprezando as perdas no conversor, ou seja, a potência de entrada é suposta igual à de saída, chega-se a:
Vo E
Ii Io
i Io
EVo Io L
o
max ^ (^ ) ^ ^ 2 2
2
Vo E
L I
E
^ ^ i^
^2 (5.8)
Vo
E
LIo E
^2
Vo E
E
LIo E
^2
Definindo o parâmetro K, que se relaciona com a descontinuidade, como sendo:
K
L Io E
