6. Fontes de Alimentação

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

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Fontes primárias de Corrente
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)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Sistema de alimentação com
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA reguladores lineares

☺ Poucos componentes.
p Pesados e volumosos
☺ Robustos Baixo rendimento
☺ Não geram EMI e RFI

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Comparação entre fontes
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%


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Alimentação
o es e ação


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.


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtros
os

• Filtro a Capacitor
• Filtro RC


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro a Capac o
o Capacitor


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Filtro a Capacitor
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Período de Condução do Diodo


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtros
os

• Filtro a Capacitor
• Filtro RC


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro RC
o C


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


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de Tensão
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA em Série

Transistores

Amp-Op


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série a transistor
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha abe a
a a aberta


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha abe a
a a aberta


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA malha fechada
a a ec ada


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Regulador série
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA co
com Amp Op
p


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Limitação de co e e
ação corrente


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA em Paralelo

Transistores

Amp-Op
Amp Op


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.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Reguladores de tensão
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA ajus á e
ajustável


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Co e e
o es Corrente

• Fonte de Corrente
a JFET


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Co e e
o es Corrente

• Transistor Bipolar • Transistor /
diodo Zener


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.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Fontes Chaveadas
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


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)


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


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck
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

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


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


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


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Boost
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)
( )


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)


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


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Conversor Buck-Boost
Buck-
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)
( )


Buck-
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)


Condução nos
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)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Condução nos
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


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Condução nos
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


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Modo de condução
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).


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Modo descontínuo
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
)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Relação de transformação
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)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Fronteira entre modos
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


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


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Conversor Buck-Boost
Buck-
Incorporação do isolamento galvânico

Muito fácil incorporar o
isolamento galvânico


Buck-
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

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