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O conversor Buck apresentado na Figura 9 é um abaixador de tensão, logo sua tensão de entrada é maior que a tensão de saída. O oposto disso ocorre com a corrente seguindo o princípio de conservação de energia. Teoricamente, esse tipo

de conversor é concebido de forma a possibilitar uma variação contínua da tensão média na carga desde zero até o valor da tensão de alimentação (BARBI, 2000).

Figura 9 - Conversor Abaixador (Step Down ou Buck).

Fonte: (POMILIO, 2007)

Há duas maneiras de operação dos conversores Buck, estes podem atuar na forma contínua, onde a corrente elétrica do indutor não chega a zero, e a operação descontínua, onde a corrente elétrica que percorre o indutor atinge o valor zero. Os dois modos de operação podem ser visto na Figura 10.

Figura 10 - Formas de onda para modo de condução contínua e modo de condução descontínua em conversor Buck.

Fonte: POMILIO; 2007

Atuando em modo de condução contínua, os valores de saída são diretamente proporcionais à largura do pulso do PWM. A partir da análise dos dois estágios do conversor (Figura 11) em modo de condução contínua, é possível tirar algumas conclusões.

Figura 11 - Estágios de conversão do conversor Buck

Fonte: (SKVARENINA, 2002)

Assim, tem-se que o tempo de comutação é definido pela equação 1 (POMILIO, 2007) a seguir, onde Ts é o tempo de comutação e Fs é a frequência de comutação do conversor:

(1)

De acordo com a equação 2 (POMILIO, 2007), é possível verificar a razão cíclica do conversor determinada pela razão entre o tempo e alta e o tempo de comutação do conversor.

(2)

Assim, a tensão média na saída deste conversor é dada pela equação 3 (POMILIO, 2007):

Por associação de fórmulas, obtem-se que a tensão de saída do conversor é dada em função da razão cíclica e da tensão de entrada, demonstrada na equação 4 (POMILIO, 2007):

(4) Logo, a razão cíclica, equação 5 (POMILIO, 2007), pode ser determinada pela razão entre a tensão de saída e pela tensão de entrada do conversor:

(5)

3.3 CONVERSOR BOOST

O conversor Boost é um sistema de elevação de tensão, utilizado quando se deseja obter uma tensão média na saída maior que a tensão de entrada do conversor. Na Figura 12 pode-se observar o esquemático de um conversor Boost.

Figura 12 - Conversor Boost (step up)

Fonte: (ELMANO, 2011).

Da mesma maneira que o conversor buck, o conversor boost, opera de maneira contínua e descontínua. No modo de operação contínuo, este possui duas etapas de operação, como pode ser visto na Figura 13. Na primeira etapa, com a chave fechada, o indutor L se carregará e assumirá uma tensão no valor da fonte. Quando a chave for aberta, o indutor estará com uma carga que produzirá uma tensão que se soma à tensão oferecida pela fonte para fazer a carga do capacitor com uma tensão mais alta que a oferecida somente pela fonte. Ao retornar para o primeiro estágio, o diodo será reversamente polarizado, fazendo com que o capacitor descarregue sobre a carga (BANDEIRA, 2015).

Figura 13 - Princípio de operação do Conversor Boost

Fonte: (ELMANO, 2011).

Figura 14 - Princípio de operação do Conversor Boost

A equação 6 (ELMANO, 2011) mostra o cálculo de corrente de saída do conversor para uma determinada potencia. A corrente de saída é definida pela razão entre a potência do conversor pela tensão de saída: (ELMANO, 2011):

(6)

A Razão cíclica neste tipo de conversor, máxima e mínima, depende da tensão de entrada máxima e mínima conforme demonstrado na equação 7 (ELMANO, 2011):

(7)

Para este tipo de conversor o valor mínimo de indutância pode ser calculado através da equação 8, 9 e 10 (ELMANO, 2011), demonstradas a seguir:

(8)

(9)

(10)

Para este tipo de conversor o valor mínimo de indutância pode ser calculado através da equação 11, 12 e 13 (ELMANO, 2011), demonstradas a seguir:

(11)

(12)

3.4 CONVERSOR BUCK-BOOST

O conversor Buck-Boost apresentado na Figura 15 combina as características de entrada do conversor Buck com as características de saída do conversor Boost. No conversor Buck-Boost pode-se abaixar ou elevar a tensão, porém a polaridade é invertida. Não pode ocorrer transferência direta de energia da entrada para a saída, sendo necessária a inclusão de um componente acumulador (com característica de fonte de corrente) para transferir a energia da entrada para a saída (RECH, CASSIANO).

Figura 15 - Conversor Buck-Boost

Fonte: (RECH, C.)

Em regime permanente, o valor médio da tensão no indutor é nulo como demonstrado na equaçao 14 (ELMANO, 2011):

(14) Assim obtém-se a equação 15 (ELMANO, 2011), capaz de determinar o valor da razão cíclica deste conversor. Esta razão é o que define se o conversor se comportará como um rebaixador de tensão ou como um elevador de tensão:

(15)

D < 0,5 → Quando a razão cíclica de operação for menor que 0.5, o conversor opera como rebaixador de tensão ou buck.

D > 0,5 → Quando a razão cíclica de operação for maior que 0.5, o conversor opera como elevador de tensão ou boost.

Pode-se obter os valores do capacitor e indutor pelas fórmulas 16,17 e 18 (ELMANO, 2011), que consideram a corrente média no indutor além da variação de corrente definida em projeto par o calculo do indutor e a corrente de saída, razão cíclida, variação de tensão definida em projeto e a frequência para o calculo do capacitor:

(16)

(17)

(18)

3.5 CONVERSOR CÚK

É possível notar no conversor Cúk apresentado na Figura 16, com entrada CC que o mesmo possui um indutor e um capacitor a mais em relação aos conversores buck e boost. Assim como no conversor Buck-Boost que é elevador ou abaixador, ocorre uma inversão de polaridade entre o sinal de entrada e de saída deste conversor.

Figura 16 - Conversor Cuk com entrada CC

Fonte: (POMILIO, 2007).

A tensão que as chaves devem suportar é igual à soma das tensões de entrada e de saída. Durante a condução do transistor, a corrente cresce por ambas indutâncias. Ao final do ciclo de trabalho, as correntes passam a circular pelo diodo (POMILIO, 2007).

Figura 17 - Formas de onda dos conversores Cuk, Sepic e Zeta em condição contínua e descontínua

Fonte: (POMILIO, 2007).

A partir das tensões sobre as indutâncias pode-se obter a característica de transferência estática. Para larguras de pulso inferiores a 50% o circuito funciona como abaixador de tensão e acima de 50%, como elevador assim como mostra a equação 19 (POMILIO, 2007):

(19)

Para condução descontínua, como demostrado na equação 20 e 21 (POMILIO, 2007):

(20)

Onde:

(21)

3.6 CONVERSOR SEPIC

O conversor Sepic, apresentado na Figura 18, possui as mesmas características do conversor Cuk, com as mesmas formas de onda de corrente

(Figura 17). O capacitor C1, no entanto, deve suportar apenas a tensão de entrada. Neste conversor a corrente de saída é recortada (POMILIO, 2007).

Figura 18 - Conversor Sepic

Fonte: (POMILIO, 2007).

3.7 CONVERSOR ZETA

Figura 19 - Topologia do conversor Zeta

Fonte: (POMILIO, 2007).

Na verdade, a diferença entre este conversor, o Ćuk e o SEPIC, apresentado na Figura 19, é apenas a posição relativa dos componentes (POMILIO, 2007). O conversor Zeta possui as mesmas características dos conversores Cúk e Sepic.

4 O PROJETO

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