ARTIGO ORIGINAL
MELO, Telmo Gabriel de Jesus Torres de [1]
MELO, Telmo Gabriel de Jesus Torres de. Modelagem e desenvolvimento de um Cuk abaixador. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 10, Vol. 07, pp. 96-105. Outubro de 2019. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/cuk-abaixador
RESUMO
Conversores são circuitos analógicos que tem como principal funcionalidade fornecer uma tensão de amplitude variável na saída a partir de uma fonte de tensão fixa na entrada. São caracterizados em relação a topologia, Cuk por exemplo, e também em relação a tensão de entrada e saída, podendo ser abaixador, ou seja, diminui a tensão em relação a entrada, ou elevador, que aumenta a tensão de saída em relação a tensão de entrada. A conversão de amplitude é realizada a partir do chaveamento da fonte de tensão de entrada e aplicando em um indutor, que carrega e descarrega a cada pulso da chave que, conjuntamente com o ciclo de trabalho (dutyclycle), define a tensão de saída. Topologicamente falando, os conversores possuem semicondutores, diodo e transistor (chave), elementos para armazenar a energia, indutores e capacitores, e a carga que é aplicada. Essa combinação possibilitou a transformação de tensão de um nível para outro em ambiente CC, visto que em CA é facilmente transformado com a utilização de um transformador.
Palavras-chave: Conversores, Cuk, tensão de entrada, tensão de saída, chave.
1. INTRODUÇÃO
Os conversores CC-CC são sistemas que possibilitam a conversão de uma tensão/corrente contínua em outra tensão/corrente contínua de diferente amplitude. Tais sistemas são compostos por dispositivos semicondutores de potência operando como interruptores, e por elementos passivos (capacitores e indutores) interligados de tal forma que o fluxo de potência entre a fonte de entrada e a fonte de saída possa ser controlado (RASHID, 2014).
Basicamente, os conversores CC/CC podem ser utilizados para abaixar ou para elevar a tensão de uma fonte CC. Podem ser dadas como exemplo algumas aplicações. Elevadores de tensão podem ser utilizados na amplificação da tensão CC gerada por células fotovoltaicas, ou na alimentação de motores CC(HART, 2012). Já os abaixadores podem ser utilizados na adequação de uma determinada tensão CC para alimentar circuitos eletrônicos e microcontroladores, como TLLs e DSPs, e em fontes de alimentação e para a etapa de controle de velocidade de motores de corrente contínua.
Este trabalho apresenta a execução prática de um conversor Cuk, tendo como objetivo permitir que o aluno desenvolva, baseado nos experimentos vistos no laboratório, um circuito de processamento de energia prático, funcional e largamente utilizado no mercado.
2. REVISÃO TEÓRICA
2.1 CONVERSOR CUK
A topologia de chaveamento Cuk é mostrada na figura 1. A magnitude da tensão na saída pode ser ambas, maior ou menor que a da entrada, e há uma inversão de polaridade na saída. Para o nosso projeto foi especificado o Cuk no modo abaixador.
Figura 1 – Conversor CUK
O indutor da entrada age como um filtro para a alimentação CC evitando um conteúdo harmônico alto. Diferente dos conversores Buck e Boost, em que a transferência de energia é associada com o indutor, a transferência de energia do conversor Cuk depende do capacitor C1(HART, 2012).
A fonte de tensão contínua é representada por VS, S representa a chave MOSFET, os indutores são representados por L1 e L2, D é um diodo de roda-livre considerado ideal, os capacitores são representados por C1 e C2 e a carga é representada pelo resistor R com tensão Vo.
2.2 ESTÁGIOS DE FUNCIONAMENTO
Esse tipo de conversor tem duas formas de funcionamento, que são representadas nas Figuras 3.2 e 3.3. A tensão média em C1 é calculada pela lei da tensão de Kirchhoff em torno da malha mais externa (RASHID, 2014). A tensão média nos indutores é zero para o funcionamento no estado estável, resultando em:
Com a chave fechada, o diodo está desligado e a corrente no capacitor é:
Com a chave aberta, a corrente em L1 e L2 força o diodo à condução. A corrente no capacitor C1 é:
A potência absorvida pela carga é igual à potência fornecida pela fonte:
Para o funcionamento periódico, a corrente média no capacitor é zero. Com a chave ligada por um tempo D e desligada por (1-D)T,
Substituindo e usando as equações acima,
A seguir, a potência média fornecida pela fonte deve ser a mesma potencia média absorvida pela carga,
Combinando as equações anteriores, a relação entre as tensões de saída e de entrada é:
O sinal negativo indica que a polaridade é invertida entre a saída e a entrada.
Figura 2 – Circuito equivalente com a chave fechada
Figura 3 – Circuito equivalente com a chave aberta.
As formas de onda de interesse do conversor CC-CC estão representadas na Figura 3.4
Figura 4 : Formas de onda do conversor Cuk condução contínua.
3. ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
Para a correta montagem do conversor Cuk, é preciso que ele apresente as seguintes especificações:
- Frequência de chaveamento: 25 kHz;
- Ondulação da tensão de saída: 5%;
- Ondulação da corrente de saída: 30%;
- Sistema de controle usando um microcontrolador;
- Potência nominal de operação (saída): 5 W;
- Tensão de entrada: 12 V;
- Tensão de saída: 5 V;
4. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS
4.1 PROJETO
O valor teórico do ciclo de trabalho é dado por:
Contudo, utilizando o valor de D teórico calculado anteriormente, não foi possível obter o valor de saída de 5 V e potência de saída de 5 W. Então a partir da simulação foi feita a variação do ciclo de trabalho até se obter os valores corretos da tensão e potência de saída, conforme a figura 4.1. O valor do ciclo de trabalho foi D=0.417
4.1.1 CÁLCULO DA INDUTÂNCIA
Com a taxa de trabalho calculado D=0,417
Calculou-se a tensão no capacitor C1:
Corrente na entrada
Como a potência de entrada é igual a de saída, temos:
Correntes nos Indutores L1 e L2
Valores das indutâncias de L1 e L2
Considerando o limite de 30% nas variações das correntes dos indutores
Indutor L1
Indutor L2
4.1.2 CÁLCULO DA CAPACITÂNCIA
O valor para a capacitância do circuito também não foi especificado, sendo assim, foi preciso determinar seu valor utilizando a fórmula abaixo:
Cálculo dos capacitores C1 e Co
Capacitor Co
Capacitor C1
Tensão Média em C1:
Variação em C1 :
Resistência equivalente da carga:
4.2 ESPECIFICAÇÕES DOS COMPONENTES
Os componentes utilizados no projeto são especificados na Tabela I, a seguir, juntamente com o respectivo fabricante e quantidade.
| Componente | Fabricante | Quantidade |
| MOSFET IRF530 | 1 | |
| Diodo — | 1 | |
| Driver IR2108 | 1 | |
| Resistor 10kΩ1/4W | Não especificado | |
| Resistor 10MΩ-1/4W | Não especificado | 1 |
| Resistor 1kΩ-1/4W | Não especificado | 1 |
| Resistor 10Ω-1/8W | Não especificado | 1 |
| Capacitor eletrolítico 4.7μF | Não especificado | |
| Capacitor eletrolítico 10μF | Não especificado | |
| Capacitor eletrolítico 22μF | Não especificado | |
| Indutor de núcleo nanocristalino 3.2μF | Não especificado | 1 |
| Amplificador Operacional LM741 | Não especificado | 1 |
Fonte: Própria (2018)
4.3 SIMULAÇÕES
Parte do circuito montado no Orcad pode ser visto na Figura 1, a seguir. Suas partes já foram previamente apresentadas no trabalho.
Para validação da simulação, foi-se mostrado a tensão saída do conversor como especificado no projeto, conforme a figura 2 demonstra o resultado obtidos. É possível visualizar, no gráfico da tensão de saída em função do tempo para uma tensão de 12 V, que a tensão se estabiliza para o valor de referência (5 V) em regime permanente, mais precisamente a partir de 36 ms, um valor consideravelmente baixo para a estabilização. Para a corrente, foi-se analisado a corrente média nos indutores, conforme a figura 2, e percebe-se que ainda estão se estabilizando.
A fonte de pulso periódicos no circuito esquemático (VPULSE) foi feita de forma computacional no Arduino, utilizando o circuito esquemático da figura
Figura 1 – Circuito Esquemático
Figura 2 – Saída do Conversor
Figura 3 – Corrente média nos indutores
4.4 PROBLEMAS DE ENGENHARIA
Durante o projeto do conversor Cuk, algumas barreiras foram identificadas para a realização do projeto de forma eficiente. A primeira foi a elaboração de um circuito divisor de tensão na saída do conversor para garantir que o Arduino realizasse a sua leitura. Isso foi necessário pois o conversor Cuk fornece tensão negativa na sua saída, e o Arduino não é capaz de realizar leituras dessa forma. O circuito que foi utilizado para realizar a inversão da tensão foi o amplificador TL071, conforma a figura 5, no arranjo de inversor de tensão. Além disso, a faixa operacional que o Arduino trabalha é de até 5V, mostrando-se arriscado trabalhar com a tensão de saída do conversor diretamente ligado a ele, visto que qualquer variação de tensão (sobretensão) poderia ocasionar uma não leitura do dado ou a perda do leitor do Arduino. Assim, foi-se aplicado, no mesmo TL071, um ganho de 0.5 na tensão, para reduzir a tensão de entrado do Arduino de aproximadamente 2.5V, um valor seguro para ser controlado nessa plataforma de prototipagem visto que a tensão máxima que o mesmo opera é 5V.
Outra nuança encontrada foi o fato do dutycycle calculado não garantir, na prática, uma saída de 5V nos terminais do conversor. Isso acontece devido ao conversor realizado não possuir um rendimento de 100%, ou seja, ele possui perdas inatas ao circuito, como dissipação por Efeito Joule no diodo, perdas no chaveamento e perdas de magnetização no núcleo do indutor, logo, foi-se necessário dar um ganho a fim de compensar essas perdas. Idealmente, para uma tensão de entrada de 12V e uma de saída de 5V, o dutycycle calculado para esse conversor foi de 0.32, ou seja, a tensão de saída é a tensão de entrada balizada por um ganho de 0.47, entretanto o mesmo apresentou uma tensão de saída de 3.3V. Logo, por métodos quantitativos analíticos, analisou-se que o dutycycle real é de 0.42 e relação saída/entrada de tensão deveria ser balizada por 0.72 para compensar as perdas e alcançar o resultado desejado.
Figura 5 – Conversor com o inversor
4.5 CONTROLE DE TENSÃO DE SAÍDA
Para o circuito de comando, representado na Figura x, foi gerado um sinal PWM a partir da plataforma de prototipagem embarcada Arduino, o sinal do PWM era inserido no CI que aumenta a potência do sinal para o correto funcionamento do transistor.
Assim como o bloco de comando, o controle foi feito também pela plataforma Arduino. Este implementa um controlador, em que a saída do Cuk é usada como realimentação do sistema, que antes de chegar na entrada de leitura analógica do Arduino passa por um amplificador operacional inversor devido a tensão de saída do conversor Cuk ser negativa, então garantindo que a tensão na entrada do Arduino seja positiva .Dentro da programação do controlador é setado uma referência fixa desejada correspondente a uma tensão de saída do conversor de 5 V, o controle então atualiza o valor do dutycycle que por sua vez é responsável pela saída do conversor C-C. Como a frequência do gerador de PWM do Arduino possui valores fixados e baixos para essa aplicação, foi necessário configurar alguns parâmetros não usuais em sua IDE, para assim obtermos uma frequência de 25 kHz.
5. RESULTADOS
Com o conversor em funcionamento, observou-se uma tensão de saída de 4.61V com poucas deformações na forma de onda, conforme a figura 6, ou seja, possui um erro de 8.88% para o valor de tensão referência de saída e também o simulado.
Alguns fatores influenciaram para a queda do rendimento do conversor, como o mesmo ter sido montado em uma protoboard e não em um circuito impresso, ter alguns pontos de soldas.
Figura 6 – Tensão de saída do conversor
6. CONCLUSÃO
Durante a construção desse projeto foi possível consolidar os conhecimentos adquiridos ao longo da disciplina. A implementação do circuito proposto teve resultados satisfatórios que cumpriram com as metas estabelecidas previamente. Por meio do software Orcad conseguiu-se verificar o comportamento do conversor com os componentes calculados antes da montagem prática.
O conversor mostrou-se ser funcional para a sua finalidade de diminuir os níveis de tensão para valores estabelecidos com a carga variando até 5W. O sistema de controle conseguiu abranger todo o espectro de combinação que o mesmo foi projetado para que a tensão de saída siga a referência de 5V na saída, mantendo as condições nominais de operação.
O uso do dutycicle real frente aoo dutycicle teórico foi uma adaptação que teve de ser feita, para que o resultado fosse o mais próximo possível do valor desejado da tensão saída (5V), visto que a análise prévia na montagem do conversor detectou um rendimento abaixo devido as perdas, sendo preciso fazer a correção a fim de que o valor desejado fosse conseguido.
REFERENCIAS
ARAUJO, J. Guia 01 – Diodos Semicondutores. Campina Grande. Laboratório de Dispositivos Eletrônicos. Universidade F ederal de Campina Grande. Departamento de Engenharia Elétrica. 2018. Trabalho não publicado.
AHMED, A. Eletrônica de Potência. 4. ed. Person Universidades., 1998.
HART, Daniel W. Eletrônica de potência: análise e projetos de circuitos Porto Alegre: Bookman, 2012.
RASHID, M. H. Eletrônica de Potência: Dispositivos, Circuitos e Aplicações. 4. ed. Person Universidades., 2014.
RAZAVI, B. Fundamentos de Microeletrônica. 1. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010.
SEDRA, A. S.; SMITH, K.C. Microelectronic Circuits. 6. ed. Oxford: Oxford University Press Inc., 2013.
VITORINO, M. Guia para Execução da Atividade Laboratorial: Experimento 2 – Estudo de chaves de potência, circuito de comando, drives, circuitos de controle e geradores de forma de onda. Campina Grande. Universidade Federal de Campina Grande. Departamento de Engenharia Elétrica. 2016. Trabalho não publicado.
ANEXOS
- Código do Controlador
#include <TimerOne.h>
long int tempo = 0, tempoAnt = 0, tempoAnt2 = 0;
int Vout = 0, pwm = 180;
int VoutCONTROLADO = 512, delayDeLeitura = 0;
float duty = 0;
float VoutReal = 0, VoutReal2 = 0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
lcd.begin(16, 2);
pinMode(10, OUTPUT);
Timer1.initialize(1000000/25000);
Timer1.pwm(10, pwm*4);
tempo = millis();
}
void loop() {
Vout = analogRead(1);
tempo = millis();
delayDeLeitura = 50;
if(tempo-tempoAnt >= delayDeLeitura ){
tempoAnt = millis();
if ( Vout > VoutCONTROLADO ) {
pwm++;
}
if (Vout < VoutCONTROLADO) {
pwm–;
}
}
if (pwm <= 1) {
pwm = 1;
}
if ( pwm >= 254 ) {
pwm = 254;
}
duty = 1 – float(pwm) / 255;
VoutReal = float(Vout) * 5 / 1023;
VoutReal2 = VoutReal*2;
Timer1.pwm(10, pwm*4);
}
[1] Pós-graduando em Engenharia de Segurança do Trabalho pela Faculdade de Tecnologias e Ciências. Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Campina Grande.
Enviado: Setembro, 2019.
Aprovado: Outubro, 2019.
