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6. Fontes de Alimentação

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6. Fontes de Alimentação

  1. 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Alimentação o es e ação 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 1
  2. 2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Fontes primárias de Corrente CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Alternada (C ) e ada (CA) Fontes Frequência Tensão primárias Européia u opé a 50Hz 220, 230V (175-265V) (175 265V) Amer./Jap. 60, 50Hz 110, 100V (85-135V) Universal 50-60Hz 110-230V (85-265V) Aviação 400Hz 115V (80 165V) (80-165V) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 2
  3. 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sistema de alimentação com CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA reguladores lineares ☺ Poucos componentes. p Pesados e volumosos ☺ Robustos Baixo rendimento ☺ Não geram EMI e RFI 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 3
  4. 4. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Comparação entre fontes CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA lineares e c a eadas ea es chaveadas Chaveada Linear Relação 30 a 300W/kg 10 a 30W/kg Potência/Peso Relação 50 a 300W/l 20 a 50W/l Potência/Volume “Ripple”da tensão 1% 0,1% de saída EMC Importante I t t Desprezíveis D í i Rendimento 65 a 90% 35 a 55% 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 4
  5. 5. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Alimentação o es e ação 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 5
  6. 6. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Retificadores e cado es • Converte CA em CC: – Valor médio diferente de zero; ; • Resultado: –T Tensão CC pulsante; ã l t • Necessidade de Filtros: – Ripple. 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 6
  7. 7. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtros os • Filtro a Capacitor • Filtro RC 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 7
  8. 8. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro a Capac o o Capacitor 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 8
  9. 9. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Filtro a Capacitor CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Período de Condução do Diodo 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 9
  10. 10. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtros os • Filtro a Capacitor • Filtro RC 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 10
  11. 11. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro RC o C 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 11
  12. 12. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de Tensão egu ado es e são • Transistores ou Amp OP – Série – Paralelo • Circuitos Integrados g – Positiva fixa • Série 7800 – Negativa fixa • Série 7900 – Ajustáveis • LM 317 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 12
  13. 13. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de Tensão CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA em Série Transistores Amp-Op 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 13
  14. 14. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série a transistor CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha abe a a a aberta 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 14
  15. 15. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série a transistor CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha abe a a a aberta 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 15
  16. 16. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série a transistor CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha fechada a a ec ada 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 16
  17. 17. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série a transistor CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha fechada a a ec ada 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 17
  18. 18. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA co com Amp Op p 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 18
  19. 19. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Limitação de co e e ação corrente 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 19
  20. 20. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de Tensão CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA em Paralelo Transistores Amp-Op Amp Op 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 20
  21. 21. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de Tensão CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA com CIs + - E – Entrada 78XX 79XX T – Terra S – Saída E T S T E S Fixo Ajustável protecções automáticas contra aquecimento t õ t áti t i t excessivo e curto-circuitos na saída. 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 21
  22. 22. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de tensão CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ajus á e ajustável 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 22
  23. 23. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de tensão CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ajus á e ajustável 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 23
  24. 24. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Co e e o es Corrente • Fonte de Corrente a JFET 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 24
  25. 25. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Co e e o es Corrente • Transistor Bipolar • Transistor / diodo Zener 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 25
  26. 26. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes C a eadas o es Chaveadas Principais vantagens: – Alta eficiência, acima de 90%, menores dissipadores de calor; – Múltiplas saídas; – Abaixam ou elevam a tensão de saída; – Baixo volume e custo, para altas potências. Principais desvantagens: p g – Maior complexidade; – Ruídos audíveis e interferência eletromagnética; g ; – Tempo de resposta à variações de tensão na entrada e na carga é maior; g – Manutenção mais cara. 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 26
  27. 27. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Fontes Chaveadas CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversores CC-CC Co e so es CC- Conversores CC-CC sem isolamento elétrico: 1. Buck 2. Boost 3. Buck-Boost Conversores CC-CC com isolamento elétrico: 1. Flyback 2. Duplo Flyback 3. Forward 4. Duplo Forward 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 27
  28. 28. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fundamentos de C cu os u da e os Circuitos Como calcular a relação entre as variáveis elétricas? Vamos recordar as propriedades dos indutores e capacitores em circuitos elétricos em regime permanente: • A tensão média em indutor é nula. • A corrente média em um capacitor é nula. + Caso contrario, a Circuito em corrente no indutor e a vL = 0 tensão no capacitor regime permanente - cresceriam iC = 0 indefinidamente (não estaríamos em regime permanente). permanente) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 28
  29. 29. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fundamentos de Circuitos Na forma de onda da tensão em um indutor “a soma dos a produtos volts·segundos = 0” Comando t Circuito em iL regime permanente + iL t vL = -0 vL + t - d·T Áreas iguais T 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 29
  30. 30. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo Hipóteses: • A tensão de saída Vo é constante durante um ciclo de Comando chaveamento. • A corrente no indutor é sempre maior que zero. t iL iS= iL + t iS iL E - iS VO t VO Durante D·T D t DT iD iD E t + iD= iL - d·T VO T Durante (1-D)·T 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 30
  31. 31. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo vL + - + Comando iL iO E vO t iC R - iL IO t • Tensão média nula no indutor vL (E- VO)·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = D·E E- VO + t - - VO D·T • Corrente média nula no capacitor T IL = IO = VO/R 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 31
  32. 32. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo iS vS iO - + •Tensões máximas + + iL VS max = VD max = E E vO vD iD - R - iS • Aplicação do balanço de potências IS t IS = IO·VO/ /E IS = IO·D iD ID t •C Corrente média no di d t édi diodo D·T ID = IL - IS ID = IO·(1-D) T 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 32
  33. 33. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo O conversor “buck” pode ser visto como um p transformador de corrente contínua iO is VO = E·D + R vO E - IO = Is/D 1:D Transformador ideal de corrente continua 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 33
  34. 34. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Boost CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo iL iD iS vO E • Balanço volts·segundos volts segundos E·D·T + (E- VO)·(1-D)·T = 0 VO = E/(1-D) • Tensões máximas VS max = VD max = VO= E/(1-D) ( ) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 34
  35. 35. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Boost CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo iL iD iO Comando t iS vO E R iL IL t • Corrente média por diodo iS IS ID = IO = VO/R t • Balanço de potência iD ID IL = IO·VO/E IL = IO/(1-D) t D·T • Corrente media no transistor T IL = ID + IS Is = IO.D/(1-D) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 35
  36. 36. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Boost CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA cu o c cu o sobrecarga curto-circuito e sob eca ga curto- E R Este caminho de circulação de corrente não pode ser interrompido atuando sobre o transistor. O conversor não pode ser protegido desta forma. t i t 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 36
  37. 37. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck-Boost Buck- CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo vD vS - + - + + - vO E vL - R + • Balanço volts·segundos volts segundos E·D·T - VO·(1-D)·T = 0 VO = E·D/(1-D) • Tensões máximas VS max = VD max = E+VO= E/(1-D) ( ) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 37
  38. 38. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck-Boost Buck- CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Modo de condução co odo co dução contínuo uo Comando IO - iS iD vO t iL E iL R + IL t • Corrente média por diodo iS IS ID = IO = VO/R t • Balanço de potência iD ID IS = IO·VO/E V IS = IO·D/(1-D) D/(1 D) t • Corrente media no indutor D·T T IL = ID + IS IL = IO/(1-D) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 38
  39. 39. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Condução nos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA conversores básicos (somente um indutor e um diodo) iL iL IL i Conversor t O + com indutor Comando E R vO t e diodo - D·T DT T O valor médio de iL depende de IO: IL = IO (buck) IL = IO/(1-D) (boost e buck-boost) /(1 D) buck boost) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 39
  40. 40. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Condução nos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA conversores bás cos co e so es básicos R1 • Ao variar IO varía o valor médio de iL iL IL • Ao variar IO não varíam as derivadas de iL (dependem de E e de VO) t R2 > iL R1 IL Modo de condução contínuo t Rcrit > R2 iL IL Modo de condução crítico t 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 40
  41. 41. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Condução nos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA conversores bás cos co e so es básicos iL Rcrit IL O que acontece se R > Rcrit ? q t iL R3 > Rcrit IL Modo contínuo t R3 > Rcrit iL IL t Modo descontínuo 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 41
  42. 42. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Modo de condução CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA descontínuo: Fatores desco uo a o es iL • Diminuição do valor do indutor. t iL • Diminuição da freqüência de chaveamento. t iL • Aumento do valor do resistor de carga (diminuição do valor médio t da corrente no indutor). 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 42
  43. 43. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Modo descontínuo CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA de condução ç Comando Existem 3 estados distintos: iL t • Condução do transistor (D·T) IL • Condução do diodo ( (D’·T) ) t • Transistor e diodo bloqueados (1-D-D’)·T iD ID Exemplo E l vL t E E VO + - t D·T D T D T D’·T VO E VO E E VO T VO ( (D·T) ) ( (D’·T) ) ( (1-D-D’)·T ) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 43
  44. 44. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Relação de transformação CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA no modo descontinuo (p.e. buck-boost) buck-boost) iL iLmax IL VO E E = L·iL /(D·T) L iLmax/(D T) t iD iLmax (D·T) ID VO = L iLmax/(D’ T) L·i /(D’·T) vL t ID = iLmax·D’/2 E VO E + (D’·T) ( ’ ) ID = VO/R - t DT D T D·T D’·T VO T Relação de transformação M=VO/E : M =D/(k)1/2 , sendo: k =2·L / (R·T) 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 44
  45. 45. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Fronteira entre modos CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA de condução (buck-boost) ç (buck-boost) • Relação transformação modo descontinuo, M: M = D / (k)1/2 , sendo: k = 2·L / (R·T) ( ) ( ) iL Rcrit it • Relação transformação modo continuo, N: iL N = D / (1 D) (1-D) t • Na fronteira: M = N, R = Rcrit , k = kcrit kcrit = (1-D)2 • Modo contínuo: k > kcrit • Modo descontínuo: k < kcrit 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 45
  46. 46. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Extensão a outros conversores Buck Buck- Boost Boost B t N=D 1 N= D 1-D N= 2 1-D M= 4·D2 4D 4·k 1+ 1+ D 1+ 1+ 2 k M= D M= k 2 kcrit = (1-D) ( ) kcrit = D(1- ( kcrit = (1-D)2 D)2 kcrit max = 1 kcrit max = 4/27 kcrit max = 1 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 46
  47. 47. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversor Buck-Boost Buck- Incorporação do isolamento galvânico Muito fácil incorporar o isolamento galvânico 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 47
  48. 48. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck-Boost Buck- CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA com so a e o galvânico co isolamento ga â co Conversor Flyback O indutor e o transformador podem ser integrados em um único dispositivo magnético. Este dispositivo magnético se calcula como um indutor, e não como um transformador. • Deve armazenar energia. • Normalmente tem entreferro 11/08/2009 17:53 Prof. Douglas Bressan Riffel 48

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