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conversor boost
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI
ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
PROFESSOR EDUARDO MOREIRA VICENTE
RELATÓRIO FINAL
Vitor João Borges 110900044
Alexandre José Ramos Costa 110900012
Gustavo de Oliveira Gonçalves 110900059
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SUMÁRIO
Lista de Figuras ........................................................................................................................ 1
Lista de Tabelas ........................................................................................................................ 1
1 – Introdução............................................................................................................................ 2
2 – Objetivo............................................................................................................................... 2
3 – Fundamentação Teórica ...................................................................................................... 2
4 – Desenvolvimento do Projeto ............................................................................................... 3
4.1 – Especificações ......................................................................................................... 3
4.2 – Dimensionamento dos Componentes ...................................................................... 4
4.3 – Projeto do Indutor .................................................................................................... 5
4.4 – Cálculo das perdas ................................................................................................... 5
4.5 – PWM ...................................................................................................................... 6
4.6 – Circuito de Driver .................................................................................................... 6
4.7 – Simulação................................................................................................................. 7
4.8 – Relação de Materiais e Componentes ..................................................................... 7
5 – Resultados Obtidos .............................................................................................................. 8
6 – Conclusão............................................................................................................................. 9
7 – Bibliografia .......................................................................................................................... 10
ANEXO 1 .................................................................................................................................. 11
1
Lista de Figuras
Figura 3.1 – Conversor Boost
Figura 3.2 - Primeira etapa (a) e segunda etapa (b) do funcionamento de um conversor Boost.
Figura 4.1 - Esquema de ligação do potenciômetro no Arduíno.
Figura 4.2 - Circuito de driver.
Figura 4.3 - Conversor Boost implementado no PSIM.
Figura 5.1 - Sinal de Vo coletado pelo osciloscópio.
Figura 5.2 - Sinal de Io coletado pelo osciloscópio.
Lista de Tabelas
Tabela 4.1 - Dados do projeto do conversor Boost.
Tabela 4.2 - Dados do projeto do conversor Boost.
Tabela 4.3 - Dados das grandezas para a definição do número de espiras do indutor.
Tabela 4.4 - Relação de materiais e componentes e seus custos.
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1.Introdução
A descoberta e o grande desenvolvimento dos elementos semicondutores possibilitaram a
evolução da eletrônica de potência como um todo. Os conversores CC-CC apresentam grande
parte dessa evolução, onde a simples alteração no chaveamento de um transistor resulta em
diferentes níveis tensão contínua (aumentando ou diminuindo), mecanismo muito útil em
diversas aplicações envolvendo energia solar e vastamente utilizada em fontes chaveadas por
exemplo.
2.Objetivo
O principal objetivo do trabalho é o projeto e implementação de um conversor Boost.
Além da implementação prática do circuito, o trabalho também tem como objetivo proporcionar
aos alunos a oportunidade de aprimorarem importantes habilidades para um engenheiro tais
como o trabalho em equipe, espírito de liderança, encontrar soluções eficazes para eventuais
problemas, comprometimento com os prazos estabelecidos, etc. Vale a pena ressaltar também
toda a bagagem prática que este trabalho oferece aos alunos após a conclusão do projeto.
O presente relatório mostra todo o desenvolvimento do projeto de um conversor Boost
que deverá elevar a tensão de entrada de 5V para uma tensão de saída de 12V com uma corrente
de carga de no mínimo 1A, apresentando todas as etapas do trabalho, indo dos cálculos e
considerações iniciais até os resultados finais do funcionamento do circuito em placa impressa.
3 – Fundamentação Teórica
O conversor Boost é um dispositivo com a finalidade de elevar a tensão de saída Vo para um
valor maior ou igual a tensão de entrada Vi contínua. Para isso são inerentes ao circuito
elementos armazenadores de energia como capacitores e indutores, além de elementos
semicondutores como diodos e transistores. A figura 3.1 apresenta o circuito típico de um
conversor Boost.
Figura 3.1 – Conversor Boost.
O funcionamento do conversor boost pode ser dividido em dois estágios como mostrado
nas Figuras 3.2 (a) e (b).
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Figura 3.2 – Primeira etapa (a) e segunda etapa (b) do funcionamento de um conversor Boost.
Na primeira etapa, mostrada na Figura 3.2(a), o interruptor S entra em condução, a tensão
Vi é aplicada ao indutor. O diodo fica reversamente polarizado, pois Vo > Vi. Acumula-se
energia em L. Na segunda etapa, mostrada na Figura 3.2(b), a chave S está em corte, o diodo D
diretamente polarizado, assim, a energia fornecida pela fonte soma-se então com aquela
armazenada em L elevando o valor de tensão de Vo.
Através das analises feitas, percebe-se que é possível controlar o valor da tensão de saída
alterando o tempo de chaveamento do interruptor S. Para tal controle, varia-se o parâmetro ciclo
de trabalho d, que é a razão entre o tempo que o interruptor fica em condução pelo período total
do chaveamento. A equação que relaciona a tensão de saída Vo, a tensão de entrada Vi e a razão
cíclica d do conversor Boost é dada por (3.1).
𝑉𝑜 = 𝑉𝑖 (1
1 − 𝑑) (3.1)
4 – Desenvolvimento do Projeto
4.1 – Especificações
As especificações pré-estabelecidas do conversor Boost são mostradas na Tabela 4.1.
Tabela 4.1: Dados do projeto do conversor Boost.
Potência da carga (Po) 18W
Tensão de saída (Vo) 12V
Tensão de entrada (Vi) 5V
Frequência de comutação (fs) 15kHz
Ondulação da corrente no indutor (ΔIL) 5%
Ondulação da tensão no capacitor (ΔVo) 5%
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4.2 – Dimensionamento dos Componentes
A partir dos dados pré-estabelecidos do projeto, é possível dar início ao dimensionamento
dos componentes do circuito. Sendo assim, a razão cíclica d do conversor é dada por (4.1).
𝑑 = (𝑉𝑜 − 𝑉𝑖)
𝑉𝑜= 0,58 (4.1)
Sabe-se que a carga RL :
𝑅𝐿 = 𝑉𝑜
2
𝑃𝑜= 8Ω (4.2)
A corrente no indutor IL é encontrada em (4.4).
𝐼𝑜 = 𝑃𝑜
𝑉𝑜= 1,5𝐴 (4.3)
𝐼𝐿 = 𝐼𝑜
1 − 𝑑= 3,57𝐴 (4.4)
Com a ondulação da corrente no indutor IL em 5% obtém-se (4.5).
𝛥𝐼𝐿 = (0,05)𝐼𝐿 = 0,18𝐴 (4.5)
Logo o valor mínimo do indutor L para que o conversor funcione no modo de condução
contínua (MCC) deve ser:
𝐿 = 𝑉𝑖 𝑑
𝑓𝑆 𝛥𝐼𝐿≅ 1𝑚𝐻 (4.6)
Com a ondulação da tensão no capacitor Co em 5% obtém-se (4.7).
𝛥𝑉𝑜 = (0,05)𝑉𝑜 = 0,6𝑉 (4.7)
Portanto, o valor do capacitor Co é dado por (2.8).
𝐶𝑜 = 𝐼𝑜𝑑
𝑓𝑆 𝛥𝑉𝑜= 96𝜇𝐹 (4.8)
A Tabela 4.2 apresenta os valores calculados do projeto do conversor Boost.
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Tabela 4.2: Valores calculados do projeto.
Razão cíclica (d) 0,58
Indutor (L) 1mH
Capacitor (Co) 96μF
4.3 – Projeto do Indutor
O projeto de indutores baseia-se nas leis de Ampére e Faraday. O número de espiras de
um indutor está diretamente relacionado à corrente de pico Ipico, à densidade máxima de fluxo
magnético Bmáx, à indutância L e à área da seção transversal do núcleo Ae. Desta forma, o número
N de espiras é dado por (4.9).
𝑁 = 𝐿 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜
𝐴𝑒𝐵𝑚á𝑥 (4.9)
Os valores das grandezas necessárias para o cálculo de N são mostrados na Tabela 4.3.
Tabela 4.3: Dados das grandezas para a definição do número de espiras do indutor.
Corrente de pico (Ipico) 3,66A
Densidade máxima de fluxo magnético (Bmáx) 0,3T
Indutância (L) 1mH
Área da seção transversal do núcleo (Ae) 51,84 mm2
O número de espiras N do indutor é então dado por (4.10).
𝑁 = 𝐿 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜
𝐴𝑒𝐵𝑚á𝑥 = 235 espiras (4.10)
4.4 – Cálculo das Perdas
As perdas relacionadas aos elementos semicondutores do circuito apresentam três
estados: perdas no estado ligado, em corte e no chaveamento. Utilizando os dados presentes no
datasheet do MOSFET IRF540 e sabendo que a frequência de chaveamento é igual a 15kHz,
tem-se que o valor das perdas neste elemento são dada por (4.11).
𝑃𝑀𝑂𝑆𝐹𝐸𝑇 = 𝑅𝐷𝑆(𝑜𝑛)𝐼𝑠2
𝑡(𝑜𝑛)
𝑇+ 𝑉𝑠 𝐼(𝑙𝑒𝑎𝑘)
𝑡(𝑜𝑓𝑓)
𝑇+
𝑉𝑠 𝐼𝑠
2п (𝑡𝑟 + 𝑡𝑓)
𝑇= 0,376𝑊 (4.11)
Através dos dados contidos no datasheet do diodo Schottky MBRI1545CT, foi possível o
cálculo das perdas deste elemento, que são dadas por (4.12). Note que os tempos de subida ts e de
descida tf do chaveamento são muito menores que o período T e, portanto, foram
desconsiderados no cálculo das perdas do diodo.
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𝑃𝐷𝑖𝑜𝑑𝑜 = 𝑉𝐷𝐼𝐷 𝑡(𝑜𝑛)
𝑇+ 𝑉𝑠 𝐼(𝑙𝑒𝑎𝑘)
𝑡(𝑜𝑓𝑓)
𝑇= 1,55𝑊 (4.12)
O indutor apresentou resistência de 0,02Ω, resultando em um valor de perda muito baixo
se comparado com a potência total do circuito. Por este motivo, as perdas devido à resistência do
indutor serão desprezadas.
4.5 – PWM
O sinal de PWM (Pulse Width Modulation), responsável pelo chaveamento do MOSFET,
foi gerado por meio da plataforma Arduíno UNO. Para o projeto, foi determinado que a razão
cíclica do PWM deveria variar de 20% a 80%. Desta forma, é possível a regulação da tensão de
saída Vo do conversor. Para tal tarefa, foi utilizada a entrada analógica A0 do Arduíno, onde foi
conectado um potenciômetro de 10kΩ responsável pela variação da razão cíclica. A programação
envolvida é mostrada no Anexo 1. A Figura 4.1 apresenta esquema de ligação do potenciômetro
no Arduíno.
Figura 4.1 – Esquema de ligação do potenciômetro no Arduíno.
4.6 – Circuito de Driver
A interface entre o Arduíno e o MOSFET é feita por meio de um circuito de driver. O
sinal de PWM gerado pelo Arduíno é então amplificado pelo driver e enviado ao gate do
MOSFET. O diagrama do circuito de driver é mostrado na Figura 4.2.
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Figura 4.2 – Circuito de driver.
4.7 – Simulação
A partir dos valores pré-determinados e calculados mostrados nas seções 4.1 e 4.2, foi
possível a implementação e simulação do conversor Boost utilizando o simulador de circuitos
elétricos PSIM. A Figura 4.3 apresenta o circuito utilizado na simulação.
Figura 4.3 – Conversor Boost implementado no PSIM.
Os resultados obtidos na simulação foram satisfatórios. As variações da tensão de saída
ΔVo e da corrente no indutor ΔIL corresponderam aos cálculos e a tensão de saída Vo foi elevada
de 5V para 12V como esperado.
4.8 – Relação de Materiais e Componentes
A Tabela 4.4 apresenta a relação dos materiais e componentes utilizados no projeto, bem
como o custo de cada item e o valor total gasto pelo grupo.
Tabela 4.4: Relação de materiais e componentes e seus custos.
Itens Código Quantidade Preço (unid)
Placa Fenolite 15x20cm CM1 15X20Cm 1 R$ 5,63
Carretel EF 25 10T EF25 10T.V. 1 R$ 0,95
Par de núcleo NEEF-25/13/7,3- LP12R 1 R$ 1,40
Transistor MOSFET IRF540 1 R$ 2,34
8
Capacitor ELCO 16V 100µF 1 R$ 0,06
Diodo Schottky 15A MBR 1545CT 1 R$ 1,74
Tubete de Solda 1mm 63x37 Tub 25g Best 1 1 R$ 6,83
Resistor 10kΩ 1/4w CR25 1 R$ 0,08
Resistor 75Ω 1/4w CR25 1 R$ 0,08
Diodo Schottky 15A MBR 1545CT 1 R$ 1,74
Resistor 1kΩ 1/4w CR25 1 R$ 0,08
Resistor 10Ω/20W Fio, 5% 1 R$ 3,40
Percloreto - 1 R$ 8,50
Caixinha de madeira - 1 R$ 3,10
Borne p/ pino banana JS3-2 3 R$0,99
Transistor NPN BC549 1 R$0,10
Potenciômetro Linear 3T WH-148-1 15mm 1 R$0,86
Total R$38,07
5 – Resultados Obtidos
Após realizar todas as etapas de desenvolvimento do projeto, a obtenção dos sinais de
tensão de saída Vo e da corrente na carga Io foi feita utilizando um osciloscópio. A Figura 5.1
mostra o resultado obtido para a tensão de saída Vo.
Figura 5.1 – Sinal de Vo coletado pelo osciloscópio.
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Confere-se pela Figura 5.1, a tensão de saída Vo foi elevada de 5V para 11,2V. Os
cálculos e a simulação realizada apontavam que a tensão média a ser entregue à carga deveria ser
exatamente 12V, mas os resultados mostram que está sendo entregue 0,8V a menos do valor
médio desejado. Vale lembrar que no momento dos cálculos e na simulação foram considerados
valores ideias, sem perdas. Portanto, na prática, uma discrepância de 0,8V é bastante aceitável se
considerarmos valores envolvidos no circuito. Já o ripple apresentou uma variação de (?)V,
também aceitável apesar de não corresponder exatamente àquele calculado e simulado.
A Figura 5.2 mostra os resultados para a corrente na carga Io.
Figura 5.2 – Sinal de Io coletado pelo osciloscópio.
Similar a Vo, a corrente de saída Io também apresentou valores menores daqueles
projetados e simulados inicialmente. No projeto, foi especificado que a corrente Io deveria ser de
1,5A, mas segundo o valor coletado pelo osciloscópio, Io apresenta um valor médio de 1,1A.
Sendo assim, apresentando uma queda de 0,4A relacionado ao que foi inicialmente especificado.
Como um dos pré-requisitos do projeto quanto a corrente na carga era de ela ser de no mínimo
1A, podemos considerar que o circuito obedeceu a essa regra com sucesso e o resultado
aceitável.
6 – Conclusão
Um grande desafio é como podemos definir este trabalho. Em todas as etapas do projeto
encontramos imprevistos que nos desafiaram a encontrar possíveis soluções e nos demandou um
esforço em conjunto de todo o grupo. Felizmente, com dedicação e a vontade de todos os
integrantes em fazer o circuito funcionar, obtivemos sucesso na elaboração do projeto e os
resultados corresponderam às nossas expectativas.
A etapa de implementação do circuito na protoboard, sem dúvidas, mostrou-se a parte
mais crítica do trabalho. Pudemos perceber a dificuldade em dar vida a toda teoria desenvolvida
em sala de aula e trazer o circuito para a realidade. A começar pela construção do indutor, uma
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árdua tarefa de enrolar 235 espiras ordenadamente em volta do núcleo de ferrite. Com o indutor e
os demais componentes em mãos, demos início a montagem do circuito. De início, utilizamos o
gerador de funções do osciloscópio para gerar o sinal de PWM para acionar o MOSFET.
Verificamos então que o circuito estava funcionando e a tensão de saída correspondia àquela
esperada. Portanto, ao tentarmos gerar o PWM utilizando o Arduino, percebemos que não seria
possível obter a frequência desejada diretamente da saída digital pois as frequências disponíveis
no Arduino eram diferentes daquela especificada no projeto. Após pesquisar na internet, vimos
que para obter a frequência que queríamos para o sinal era necessário alterar os contadores do
Arduíno. Com o auxílio do técnico João na programação, conseguimos ajustar a frequência em
15kHz e foi possível então o teste do circuito completo. Os resultados se aproximaram daqueles
esperados, mas ainda havia algumas coisas a serem melhoradas. Ao passar o circuito para a placa
de fenolite, percebeu-se uma pequena melhora nos resultados, mas somente quando utilizamos o
circuito de driver para a interface entre o Arduino e o MOSFET é que os valores de tensão e
corrente de saída tornaram-se completamente satisfatórios.
Por fim, conclui-se que apesar das dificuldades e imprevistos impostos pela
implementação prática do conversor Boost, todas as etapas foram completadas com êxito
conforme o cronograma previsto e o circuito apresentou os resultados esperados. Conclui-se
também que o trabalho além de aprimorar o trabalho em equipe, compromisso e dedicação dos
alunos, mostrou-se também uma valiosa oportunidade de aquisição de conhecimentos práticos
relacionados à eletrônica, essencial para qualquer aluno de engenharia.
7 – Bibliografia
[1] MOHAN, N. Power electronics: converters, applications, and design. New York: Wiley,
1989.
[2] RASHID, H; MUHAMMAD. Power Electronics: circuits, and applications. 3ª Edição.
11
ANEXO 1
// Declaração de variávieis
int Pino_Pot = A0;//Atribuindo o nome "Pino Potenciometro " ao pino analogico
A0.
int Pino_PWM = 3; //Atribuindo o nome "PINO_PWM" ao pino digital 3.
int Valor_Pot; //Variavel auxiliar
//Inicializando o código
void setup()
// Início da função setup
Serial.begin(9600); //Habilita a comunicação entre o Arduino e o computador.
pinMode(Pino_PWM, OUTPUT); //Definindo o pino 3 do arduino como saída.
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(11, OUTPUT);
TCCR2A = _BV(COM2A0) | _BV(COM2B1) | _BV(WGM21) | _BV(WGM20);
TCCR2B = _BV(WGM22) | _BV(CS21);
OCR2A = 133;
OCR2B = 50;
void loop() // Função de repetição
Valor_Pot = 5*(analogRead(Pino_Pot))/1023;
if (Valor_Pot<=0.8)
OCR2B=27;
else if ((Valor_Pot>0.8)&&(Valor_Pot<=1.6))
OCR2B=40;
else if ((Valor_Pot>1.6)&&(Valor_Pot<=2.4))
OCR2B=53;
else if ((Valor_Pot>2.4)&&(Valor_Pot<=3.2))
OCR2B=67;
else if ((Valor_Pot>3.2)&&(Valor_Pot<=4))
OCR2B=80;
else if ((Valor_Pot>4)&&(Valor_Pot<=5))
OCR2B=93;
