Projeto de um Conversor Buck: Introdução e Aplicações

INSTITUTO FEDERAL DE BRASILIA CAMPUS CEILÂNDIA CURSO TÉCNICO EM ELETRÔNICA JOSE ROBERTO CUNHA FERREIRA PROJETO DE UM CONVERSOR CCCC DO TIPO BUCK Brasília 27 de outubro de 2023 2023 1 INTRODUÇÃO Os conversores Buck representam uma classe fundamental de dispositivos na eletrônica de potência desempenhando um papel central na regulação de tensão e na eficiência energética em uma ampla gama de aplicações Esses circuitos eletrônicos são projetados para converter uma tensão de entrada maior em uma tensão de saída menor de maneira eficiente controlando a potência entregue ao sistema A capacidade de reduzir a tensão de entrada torna os conversores Buck indispensáveis em várias áreas desde eletrônicos de consumo como smartphones e laptops até sistemas de geração de energia como painéis solares e até mesmo veículos elétricos A principal função dos conversores Buck é permitir que dispositivos eletrônicos operem com tensões de alimentação ideais independentemente das flutuações na tensão da fonte de energia Isso é essencial para garantir a estabilidade e o funcionamento confiável de equipamentos sensíveis Além disso os conversores Buck são cruciais para otimizar a eficiência energética uma vez que permitem que a energia seja entregue de maneira mais eficiente reduzindo as perdas de energia na forma de calor O princípio de funcionamento dos conversores Buck é relativamente simples Eles funcionam com base na modulação do ciclo de trabalho de um interruptor controlado geralmente um transistor que interrompe o fluxo de corrente da fonte de alimentação para o circuito de saída Ao ajustar a frequência e a razão cíclica do interruptor o conversor Buck pode reduzir a tensão de saída de acordo com a necessidade enquanto controla a potência entregue de forma precisa Em termos de aplicações os conversores Buck são onipresentes na eletrônica moderna Em eletrônicos portáteis como smartphones e laptops eles são usados para fornecer tensões ideais para componentes internos prolongando a vida útil da bateria e melhorando a eficiência Em fontes de alimentação comutadas eles são amplamente empregados para converter a tensão da rede elétrica em uma tensão estável e segura para dispositivos eletrônicos Além disso os conversores Buck desempenham um papel vital em sistemas de energia renovável onde são usados para otimizar a energia gerada por fontes como painéis solares e turbinas eólicas No setor automotivo os conversores Buck são encontrados em veículos elétricos e híbridos onde são cruciais para gerenciar a energia da bateria e alimentar os diversos sistemas eletrônicos a bordo A eficiência energética e a regulação de tensão são especialmente importantes nesses veículos para garantir um desempenho seguro e confiável Em resumo os conversores Buck são uma parte essencial da engenharia eletrônica moderna possibilitando a regulação de tensão eficiente em uma variedade de aplicações Sua capacidade de controlar a tensão de saída com precisão aliada à eficiência energética tornaos uma tecnologiachave para garantir que eletrônicos funcionem de maneira confiável eficiente e sustentável em nossa vida cotidiana 2 OBJETIVOS Projetar um conversor CCCC do tipo Buck 3 METODOLOGIA Para realizar o projeto do conversor Buck foram realizados os seguintes passos I Determinar a razão cíclica de operação do conversor 𝐷 II Cálculo das correntes de pico 𝑉𝑃 média 𝑉𝑚 e eficaz 𝑉𝑒𝑓 III Cálculo da potência média na carga 𝑃𝑚é𝑑𝑖𝑎𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 IV Cálculo das ondulações de corrente Δ𝑖 e tensão Δ𝑣 31 DETERMINAR A RAZÃO CÍCLICA DE OPERAÇÃO DO CONVERSOR D 𝐷 𝑉𝑜 𝑉𝑖 5 24 𝐷 021 32 CÁLCULO DAS CORRENTES 𝑰𝒍𝒐 𝑰𝑺𝟏 𝑰𝑫𝟏 𝐼𝐿𝑂 𝐼𝑂 05 𝐴 𝐼𝑆1 𝐷 𝐼𝑂 021 05 0105 𝐴 𝐼𝐷1 1 𝐷 𝐼𝑂 1 021 05 0395 𝐴 𝐼𝑆1𝑒𝑓 1 2 𝐷 3 12𝐼𝑂 2 Δ𝐼𝐿𝑂 2 1 2 021 3 12 052 0162 023 𝐴 33 CÁLCULO DA POTÊNCIA MÉDIA NA CARGA 𝑷𝒎é𝒅𝒊𝒂𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 𝑃𝑂 𝑉𝑂𝐼𝑂 5 05 𝑃𝑂 25 𝑊 34 CÁLCULO DAS ONDULAÇÕES DE CORRENTE 𝜟𝑰𝑳𝒐 E TENSÃO 𝜟𝑽𝑪𝑶 Δ𝐼𝐿𝑜 𝑉 𝐿𝑂 𝐹𝑠 𝐷 1 𝐷 21 500𝜇 50𝑘 021 1 021 016 𝐴 Δ𝑉𝐶𝑂 𝑉𝑖 31 𝐿𝑂 𝐶𝑂 𝐹𝑠2 24 31 500𝜇 10𝜇 500𝑘2 0062 𝑉 4 ANÁLISE DOS RESULTADOS Nas seções abaixo estão dispostas as formas de onda da fonte do diodo da chave e da carga do circuito conversor do tipo Buck 41 Circuito realizado no PSIM Figura 1 Circuito do Conversor CCCC do tipo Buck 42 Formas de ondas Figura 2 Gráfico da tensão de entrada DC e da tensão de saída DC Figura 3 Gráfico da tensão do diodo 𝑫 Figura 4 Gráfico da tensão da chave De acordo com os resultados obtidos temse as seguintes análises I A tensão de saída DC está de acordo com o que foi especificado tendo uma tensão de oscilação de apenas 65 da tensão de saída se comportando praticamente como uma tensão contínua II O diodo que normalmente opera no sentido direto durante a operação do conversor Buck permite a passagem da corrente elétrica com uma queda de tensão mínima A forma de onda no diodo é caracterizada por uma tensão constante mantendo a corrente fluindo da carga para a fonte de alimentação durante a fase em que o transistor está desligado III A forma de onda na chave é caracterizada por uma alternância entre dois estados Quando o transistor de potência está ligado a tensão cai quase instantaneamente para um valor próximo de zero permitindo que a corrente flua da fonte de alimentação para a carga Ao desligar o transistor a tensão aumenta rapidamente para o valor da tensão de entrada Essa alternância cria uma forma de onda quadrada na tensão da chave que é a base do funcionamento do conversor Buck 5 CONCLUSÃO Em síntese os conversores Buck representam um componente fundamental no campo da eletrônica de potência desempenhando um papel de destaque na regulação da tensão em uma variedade de aplicações Sua habilidade de converter eficientemente uma tensão de entrada mais elevada em uma tensão de saída menor é de importância crítica para a operação eficaz de dispositivos eletrônicos contemporâneos bem como para a conservação de energia e a integração de sistemas de energia renovável A análise das formas de onda associadas aos elementoschave tais como o transistor de potência o diodo a carga e a fonte de alimentação é um elemento central na compreensão e no projeto bemsucedido desses conversores Isso por sua vez contribui para o aprimoramento da eficiência e confiabilidade de sistemas eletrônicos constituindo um tópico de relevância no contexto acadêmico e industrial