Introdução aos Conversores

Com tantos modelos de conversores disponíveis no mercado, a simples tarefa de realizar uma compra vira um emaranhado de guias abertas, e o uso de termos como: Buck, Boost, Step-Down e Step-Up torna tudo ainda mais confuso para quem é leigo no assunto. Em razão disso, nesse tutorial vamos esclarecer algumas informações sobre os conversores DC-DC. Essa postagem será dividida nos seguintes tópicos, clique em algum título para ir ao trecho correspondente.

 

O que é um Conversor DC-DC ou Chopper

Segundo o livro Eletrônica de Potência referenciado, o Conversor DC-DC/CC-CC (CC- Corrente Contínua/ DC- Direct Current) também nomeado Chopper Control, é utilizado quando a tensão disponível é originária de um retificador fixo ou de uma bateria elétrica e a carga exige um controle linear na tensão de alimentação. Para realização deste tipo de conversão é utilizado o método de modulação por largura de pulso (pulse width modulation, PWM). Em suma, o Conversor DC-DC mantém a corrente de forma contínua, e seu uso é destinado à amplificação ou redução de tensão, como veremos mais adiante.

 

Como funciona um Conversor DC-DC

Conforme mencionado no tópico anterior, o Conversor DC-DC mantém o sinal de saída sem oscilações entre polos.
Os Conversores DC-DC são sistemas compostos por semicondutores de potência atuando como chaves, além de componentes como capacitores, indutores e diodos, com a finalidade de controle de fluxo de tensão de uma fonte de entrada para a fonte de saída.
Conforme pode ser visto na imagem abaixo, retirada da apostila de estudos sobre Eletrônica de Potência, o sinal gerado não é uma linha contínua, mas é categorizado como continuo por não alterar a sua polaridade. Essa variação ocorre porque o S do circuito age como uma chave que comuta em determinada frequência, sendo que a comutação é o movimento de abrir e fechar da chave.

conversor dc dc

 

O intervalo de comutação é definido pela fórmula:

fórmula do intervalo de comutação

Sendo que o Ts da fórmula equivale ao intervalo de comutação, e Fs a frequência, revivendo as nossas lembranças das aulas de física, podemos notar que é basicamente a mesma fórmula que utilizamos para o cálculo do período de uma onda.
E para cálculo de relação entre a tensão de entrada e a de saída, realizamos a seguinte divisão, em que D representa a razão da transformação.

razão da transformação

Neste caso, Vo representa a tensão de saída e Vi a tensão de entrada.

Além disso, é importante salientar que os sinais que geram a comutação da chave podem ser gerados com uma frequência fixa, através da já citada modulação por largura de pulso (PWM), ou com frequência variável.

Segue imagem demonstrativa da modulação PWM, igualmente retirada da apostila de Eletrônica de Potência.

modulação PWM


O que ocorre no caso do conversor é que o transistor abre e fecha durante o funcionamento, isso gera uma modulação que varia de acordo com a tensão desejada
.

O Duty cycle, que é o intervalo de comutação, é ajustado automaticamente de acordo com a variação da tensão na entrada, considerando a configuração da tensão de saída.Depois de passar pelo filtro do conversor, a onda é transmutada de quadrada à linear.

duty cycle

Principais Vantagens do Conversor DC-DC

O que eu devo utilizar, um Conversor ou um Regulador de Tensão Linear?

O Conversor DC-DC ou SMPS- Switched Mode Power Supply (Fonte de Alimentação Comutada), assim como o Regulador, ajusta a tensão para a desejada de acordo com o projeto, podendo ser utilizado para uma infinidade de aplicações, muitas vezes ao desenvolver um trabalho, o projetista não encontra uma fonte adequada ou então existem componentes que exigem uma alimentação diferente da principal, sendo necessário o uso de uma associação de resistores ou de forma mais simples e eficaz, um regulador ou conversor.

O Conversor apresenta uma eficiência consideravelmente maior do que um Regulador de Tensão Linear, sendo que o conversor conta com perda de 12% da potência, enquanto o regulador demonstra perda de 50%.  Devido à alta dissipação de potência, o Regulador aquece muito e exige o uso de um dissipador de calor, sendo uma outra desvantagem quando comparado com o Conversor, que conta com dissipador nas placas necessárias.

 

O que é um Conversor Step-Down ou Buck 

Um Conversor de topologia Step-Down ou Buck, é destinado a realizar reduções na tensão, abaixo podemos ver o seu circuito elementar:

Conversor Step-Down

Fazendo uma análise mais detalhada, podemos ter o entendimento de que quando o transistor se comporta como uma chave fechada, a corrente flui, passa pelo filtro LC ( indutor e capacitor) e chega à carga como tensão contínua. O filtro é do tipo passa baixa e sua função é reduzir as harmônicas da onda, sendo que o indutor é magnetizado nessa etapa.

conversor abaixador de tensão chave fechada

E quando a chave está aberta, o indutor é desmagnetizado, valendo mencionar que o diodo ajuda a dissipar a energia que ficou armazenada no indutor na etapa anterior.




O que é um Conversor Step-Up ou Boost

Um Conversor Step Up ou Boost é destinado a aumentar a tensão de saída em relação à entrada, sendo que o seu circuito pode ser representado como abaixo:


Quando o transistor se comporta como chave fechada, a corrente percorre apenas a primeira malha do circuito, passando pelo indutor e pelo transistor, sendo que a energia é acumulada no indutor L.

Quando o transistor age como uma chave aberta, o diodo D passa a conduzir, e o indutor e a fonte fornecem energia para a carga, aumentando assim a tensão de saída, com o capacitor agindo como um filtro.

conversor elevador de tensão chave aberta

 

 


O que é um Conversor Buck-Boost

Diante do apresentado, podemos deduzir corretamente que esse conversor pode realizar as duas funções, de abaixador e elevador de tensão.  O seu circuito é o seguinte:

conversor buck-boost

No conversor desta topologia temos que quando o transistor se comporta como chave fechada, a corrente flui pelo indutor L e volta para a fonte de alimentação, ficando apenas na primeira malha do circuito.

conversor buck-boost chave fechada

E quando o transistor abre, a energia armazenada no indutor percorre o restante do circuito, percorrendo o diodo D e indo para a saída.

conversor buck-boost chave aberta

 

Qual é o Conversor mais indicado

Existem outros conversores de tensão que são variações dos três modelos apresentados, eles são nomeados de Cuk, SEPIC e Zeta, eu não entrarei em detalhes quanto ao funcionamento deles, mas você pode ler sobre os mesmos nos materiais dispostos no fim do artigo.

Em nossa loja online temos os seguintes conversores DC/DC:

Boost/ Step-Up

-Conversor DC/DC – Boost – 600W/10A

-Conversor DC/DC – Boost – XL6009

-Conversor DC/DC Com Volt- Boost – XL6009

-Conversor DC/DC – Boost – 250W/10A

 

Buck/ Step-Down

-Conversor DC/DC – Step Down –LM2596

-Conversor DC/DC Com Volt –Step Down – 75W – XL4015

-Conversor DC/DC – Step Down – 75W – XL4015

-Conversor DC/DC- Step Down – 100W/12A

-Conversor DC/DC – Step Down- Ultra Small –MP1584EN

-Conversor DC/DC – Step Down – Mini – 360

-Conversor DC/DC Com Volt – Step Down- LM2596

 

Step Down e Step Up/ Buck e Boost

-Conversor DC/DC – Step Down e Boost –XL6019

-Conversor DC/DC – Step Down e Boost – LTC3780 – 80W

 

Notavelmente existem muitos conversores no mercado, para desenvolvimento de um projeto com o uso de conversor, é indicado que sejam lidas as descrições para que assim seja definido qual modelo atende as suas especificações, todos os conversores contam com um range de tensão ajustável.

Por exemplo: Você está desenvolvendo um projeto, a sua alimentação é de 12V e você precisa de uma tensão de 50V na saída.

Como será necessário elevar a tensão de entrada, então precisamos de um conversor de topologia Boost.

Se a tensão de entrada é de 12V, temos que verificar esse fator na descrição, além da tensão de saída que o conversor consegue fornecer. Um dos modelos que eu encontrei e que se encaixa nos parâmetros do exemplo, é o Conversor DC/DC – Boost – 600W/10A

Conversor DC/DC – Boost – 600W/10A

Ou o conversor DC/DC – Boost – 250W/10A

conversor DC/DC – Boost – 250W/10A

Considerações Finais

Com essa breve introdução, podemos perceber que a principal diferença entre um conversor elevador(Step-up/Boost) e um abaixador (Step-down/Buck) é o posicionamento do indutor, no caso do circuito abaixador, o indutor é posicionado estrategicamente após o transistor, parte da energia é armazenada nele quando a chave se fecha, e quando a chave abre, toda essa energia é dissipada. No caso do elevador temos outra configuração, o indutor é carregado quando a chave está fechada, e quando ela se abre, toda a energia armazenada e a alimentação, vão para a carga. Como no caso do Step-Down muita energia é dissipada, ocorre um grande aquecimento na placa, por isso é comum vermos dissipadores nestes projetos.

Com o embasamento do funcionamento dos conversores, podemos fazer estudos mais aprofundados sobre eles, nas próximas postagens abordaremos conversores específicos da topologia Buck, demonstrando na prática o funcionamento deles e o sinal de saída gerado no osciloscópio.

Aguardo vocês nos próximos tutoriais! 

Abraços, Curto Circuito :)


Fontes:

ARRABAÇA, Devair Aparecido; GIMENEZ, Salvador Pinillos. Eletrônica de Potência: Conversores de Energia (CA/CC): Teoria, Prática e Simulação. 2ª Ed.: Saraiva

PETRY, Clóvis Antônio. Introdução aos Conversores CC-CC. 2001. 17 f. Instituto de Eletrônica de Potência, Departamento de Engenharia Elétrica, Centro Tecnológico –Universidade Federal de Santa Catarina.

POMILIO, J.A. Fontes Chaveadas – Cap.1. Topologias básicas de conversores CC-CC não-isolados. 25 f. Disponível em <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/it505/CAP1.pdf>