Curso Fonte Chaveada 02 2008
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Sistemas de alimentao
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Fontes primrias de Corrente Alternada (CA)
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Sistema de alimentao com reguladoreslineares
Poucos componentes.
RobustosNo geram E! e RF!
Pesados e "olumosos
#ai$o rendimento
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Comparao entre fontes lineares e chaveadas
Chaveada Linear
RelaoPotncia/Peso
30 a 300W/kg 10 a 30W/kg
RelaoPotncia/ol!me
"0 a 300W/l #0 a "0W/l
$Ripple%da tenso desa&da
1' 0(1'
)*C +mportante ,espre-&veis
Rendimento ." a 0' 3" a ""'
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Re"iso dos con"ersores c.c.%c.c
Con"ersores sem isolamento el&trico'.#uc*.#oost+.#uc,#oost
Con"ersores com isolamento el&trico'.Fl-bac*.uplo Fl-bac+.For/ard0.uplo For/ard
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Re"iso de Fundamentos de Circuitos
Como calcular a relao entre as "ari"eis el&tricas1
2amos recordar as propriedades dos indutores e capacitores emcircuitos el&tricos em regime permanente'
A tenso m&dia em indutor & nula.
A corrente m&dia em um capacitor & nula.
Caso contrario, a corrente
no indutor e a tenso no
capacitor cresceriam
indefinidamente (no
estaramos em regimepermanente).
"3 4 5
6
,
Circuito em
regime
permanente iC 4 5
-
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Re"iso de Fundamentos de Circuitos
Na 7orma de onda da tenso em um indutor 8a soma dosprodutos "olts9segundos 4 5:
"3 4 5
6
,
Circuito emregime
permanente
i3
;d9;
t
t
i3
Comando
"3t
,
6
-
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. Anlise do con"ersor Buckodo de conduo cont=nuo
>ip?teses'
A tenso de sa=da 2o & constante durante um ciclo dec@a"eamento.
A corrente no indutor & sempre maior ue Bero.
;d9;
t
t
t
t
iS
i
i3
Comando
iS i3
iE
2
i4 i32,6
iS4 i3
E 2
6,
urante 9;
urante (,)9;
-
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*. Anlise do con"ersor Buck
;enso m&dia nula no indutor
;
9;
t
t
i3
Comando
"3
t,
6E, 2
!
, 2
(E, 2)99; , 29(,)9; 4 5 2 4 9E
Corrente m&dia nula no capacitor
6
,
"3
Ei "
6
,
i3iC R
!34 !4 2%R
-
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+. Anlise do con"ersor Buck
Aplicao do balano de potDncias
!S 4 !92%E !S 4 !9
Corrente m&dia no diodo
! 4 !3 , !S ! 4 !9(,)
2S ma$4 2 ma$4 E"
6
,
E
i
R
iS
i3
i
6 ,"S
"
6
,
;enses m$imas
;9;
t
tiS
i
!S
!
-
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0. Anlise do con"ersor Buck
con"ersor 8buc: pode ser "isto como um
trans7ormador de corrente cont=nua
2 4 E9
!4 !s%
;rans7ormador ideal de corrente continua
E "
6
,R
iis
'
-
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E99; 6 (E, 2)9(,)9; 4 5 2 4 E%(,)#alano "olts9segundos
2S ma$4 2 ma$4 24 E%(,)
;enses m$imas
i3 i
iSE"
. Anlise do con"ersor Boostodo de conduo cont=nuo
-
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i3
i
iSE"
R
i
;9;
t
t
t
t
iS
i
i3
Comando
!3
!S
!!3 4 !92%E !3 4 !%(,)
Corrente m&dia por diodo! 4 !4 2%R
Corrente media no transistor!3 4 ! 6 !S !s 4 !.%(,)
#alano de potDncia
*. Anlise do con"ersor Boost
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curto,circuito e sobrecarga nocon"ersor #oost
E R
Este camin@o de circulao de corrente no podeser interrompido atuando sobre o transistor.
conversor no pode ser protegido destaforma.
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E99; , 29(,)9; 4 5 2 4 E9%(,)#alano "olts9segundos
2S ma$4 2 ma$4 E624 E%(,)
;enses m$imas
6 ,"
"
6
,
ER
6 ,"S
"3
6
,
. Anlise do con"ersor #uc,Boostodo de conduo cont=nuo
-
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*. Anlise do con"ersor #uc,Boost
"
6
,
E
!
Ri3
iiS
#alano de potDncia
!S 4 !92%E !S 4 !9%(,)
Corrente m&dia por diodo! 4 !4 2%R
Corrente media no indutor!3 4 ! 6 !S !3 4 !%(,)
;9;
t
t
t
t
iS
i
i3
Comando
!3
!S
!
-
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modo de conduo nos trDs con"ersoresbsicos (!)
(somente um indutor e um diodo)
Con"ersor
com indutore diodo
i
i3
R "
6
,E
!3 4 !%(,) (boost e buc,boost)!34 ! (buc)
;9;
t
t
i3
Comando
!3
"alor m&dio de i3depende de !'
-
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modo de conduo nos trDs con"ersoresbsicos (!!)
Ao "ariar !"ar=a o "alor m&dio de i3
Ao "ariar !no "ar=am as deri"adas de i3(dependem de E e de 2)
t
t
i3 !3
i3 !3
i3 !3
t
R
Rcrit R*
R* R
odo de conduo cr=tico
odo de conduo cont=nuo
-
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modo de conduo nos trDs con"ersoresbsicos (!!!)
t
t
i3!3
Rcrit
t
R+ Rcriti3 !3
i3 !3
R+ Rcrit
odo cont=nuo
odo descont=nuo
ue acontece se R Rcrit 1
-
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Fatores ue originam o modo de conduodescont=nuo do con"ersor'
t
t
i3
t
i3
i3
iminuio do "alor do indutor.
iminuio da 7reGDncia dec@a"eamento.
Aumento do "alor do resistor de
carga (diminuio do "alor m&dio dacorrente no indutor).
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E$istem + estados distintos'
Conduo do transistor (9;)
Conduo do diodo (H9;)
;ransistor e diodo bloueados (,,H)9;
Exemplo
2E
2E E 22E(9;) (,,H)9;(H9;)
odo descont=nuo de conduo
!3
ti3
Comando
t
"3
;
9;t
H9;
6,
i
t
!
2
E
-
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2E
(9;)
2E
(H9;)
E4 39i3ma$%(9;)
i3
t
!3
"3
;
9;t
H9;
6,
i
t
!
2
E
i3ma$
i3ma$
Relao de trans7ormao 42%E'
4%()%*I sendo' 4*93 % (R9;)
Relao de trans7ormao no mododescontinuo (p.e. buc,boost)
2
4 39i3ma$
%(H9;)
! 4 i3ma$9H%*
! 4 2%R
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Relao trans7ormao modo descontinuoI ' 4 % ()%* I sendo' 4 *93 % (R9;)
Relao trans7ormao modo continuoI N'
N 4 % (,)
Na 7ronteira' 4 NI R 4 RcritI 4 crit
crit4 (,)*
odo cont=nuo' crit
odo descont=nuo' J crit
Fronteira entre modos de conduo(buc,boost)
t
i3i3
Rcrit
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N 4
* 4
6 6 09*
crit4 (,)
crit ma$4
4
N 4
,
crit4 (,)*
crit ma$4
* 4
6 6
09*
N 4
,
crit4 (,)*
crit ma$4 0%*K
#uc #uc,
#oost
#oost
E$tenso a outros con"ersores
-
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. !ncorporao do isolamento gal"Lnico aocon"ersor buc,boost
uito 7cil incorporar oisolamento gal"Lnico
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*. !ncorporao do isolamento gal"Lnico aocon"ersor buc,boost
indutor e o trans7ormador podem serintegrados em um Mnico dispositi"omagn&tico. Este dispositi"o magn&tico secalcula como um indutorI e no como umtrans7ormador.
e"e armaBenar energia.
Normalmente tem entre7erro
Con"ersor Fl-bac
A li d Fl b
-
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"
6
,"S6,
E
6
,"
n n*
8Soma dos produtos
("olts%espiras)9segundos 4 5:9;9E%n, (,)9;92%n*4 5
2 4 E9(n*%n)9%(,)
2 ma$4 E9n*%n 6 24 E9(n*%n)9%(,)
2S ma$4 E629n%n*4 E%(,)
$imas tenses
Anlise do con"ersor Fl-bacodo de conduo cont=nuo
C l Fl b
-
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ois transistores#ai$as tenses nossemicondutores
2 4 E9(n*%n)9d%(,) (em m.c.)
ma$4 5.
2S ma$4 "S* ma$4 E
2 ma$4 "* ma$4 E
2+ ma$4 E9(n*%n)9%(,)
En' n*
S +
*
S*2
Con"ersor uplo Fl-bac
-
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!ncorporao do isolamento gal"Lnico aocon"ersor #oost
No possivelNo possivel incorporar o isolamentogal"Lnico com um Mnico transistor
Com "rios transistores pontes alimentadasem corrente
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. !ncorporao do isolamento gal"Lnico aocon"ersor buc
No pode ser 7eito porue o trans7ormador nopode ser desmagnetiBado
3m
-
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*. !ncorporao do isolamento gal"Lnico aocon"ersor buc
No pode ser 7eito porue o trans7ormador &desmagnetiBado instantaneamente (sobretenso in7inita).
3m
*
-
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+. !ncorporao do isolamento gal"Lnico aocon"ersor buc
Esta & a soluo
3m
ipolo de tenso
constante
i t d
-
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perao em regime permanente de umelemento magn&tico com dois enrolamentos
Circuito em regime
permanente
n' n*
" "*
6
,
6
,
("i%ni)4 5
"i4 ni 9 d%dt
4 # , A4 ("i%ni)9dt
#
A
3ei de Farada-'
Em regime permanente'( )em um per=odo45
3ogo'
Se se e$cita o elemento
magn&tico com ondas uadradas'8soma dos produtos ("olts%espiras)9segundos 4 5:
-
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perao em regime permanente de um elementomagn&tico com "rios enrolamentos'e$emplo
8Soma dos produtos ("olts%espiras)9segundos 4 5:
(E%n)99; , (2*%n*)9*9; 4 5 *4 9n*9E%(n92*)
t"i%ni
;9;
t
*9;
6,
2%n
ma$
2*%n*
Para assegurar a desmagnetiBao' *J ,
E
2*n*
n2
F d
-
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3e"ando em conta'
H 4 9n*%n H J ,
obtemos' J n%(n 6 n*) ma$4 n%(n 6 n*)
. con"ersor For/ard
E
n*
n
esmagnetiBao baseada
na tenso de entrada24 2*4 E
2
2*n*
n
* con"ersor For/ard
-
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*. con"ersor For/ard
2
n*'n+
n
6
,"*
"S
6
,
"
6
,E
2S ma$4 E6E9n%n*4 E%(,ma$)
2 ma$4 E9n+%n
2* ma$4 E9n+%n*
ma$4 n%(n 6 n*)
E9n+%n 2
6,
urante 9;
2,6
urante (,)9;24 9E9n+%n(modo cont=nuo)
+ con"ersor For/ard
-
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+. con"ersor For/ard
i*
2E n*'n+
n
iS
i3
i
i+i
i*9n+%n
;9;
tComando
t
i3 i
H9;
i+
i*
i
iS
t
t
t
t
!* 4 !9 ! 4 !9(,)
!m4 E9;9*%(*93m) (re7. ao primrio)
!S 4 !99n+%n6 !m !+4 !m
2ariao de E
-
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2ariao de E
"*
2
n*'n+
n
6
,
"S
6
,
"6
,E
t
"i%ni
t6
,
E%n
ma$
E%n*E m$imo
t
"i%ni
t6 ,
E%n
ma$
E%n*E m=nimo
t
"i%ni
t6,
E%n
ma$
E%n*;enso alimentao m=nima
E$istem outras 7ormas de
-
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E$istem outras 7ormas dedesmagnetiBar o trans7ormador1
t
"i%ni
t6,
E%n
ma$
2C%n
Snubber RC
#ai$o rendimento!ntegrao de componente parasitas
Otil para reti7icador sincrono autoe$c.
2C
E
3m3dE
utras 7ormas de desmagnetiBar o trans7ormador'
-
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gesmagnetiBao ressonante
Peuena "ariao de E
!ntegrao de componentes parasitasOtil para reti7icador sincrono autoe$c.
";
t6,
(esonant reset)";6
,E
3m3d
E
utras 7ormas de desmagnetiBar o
-
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41/77
t
"i%ni
t6 ,
E%n
2C%n
ois transistores
!ntegrao de componentes parasitas
Otil para reti7icador sincrono autoe$c.
Flu$o m&dio nulo
utras 7ormas de desmagnetiBar otrans7ormador' Snubber ati"o
(!ctive clamp)
2C 4 E9%(,)
2C
E
3m3dE
utras 7ormas de desmagn o trans7 ' Con"ersor
-
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ois transistores
;enso m$ima notransistor igual a E
utras 7ormas de desmagn. o trans7.' Con"ersorFor/ard com dois transistores
t
"i%ni
t6 ,
E%n
ma$
E%n
ma$4 5.24 9E9n*%n (en modo continuo)
2S ma$4 2S* ma$4E
2 ma$
4 2* ma$
4 E
2+ ma$4 20 ma$4 E9n*%n
En' n*
S 0
+
*
S*
2
Fonte com mMltiplas sa=das' ma sa=da
-
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Fonte com mMltiplas sa=das' ma sa=dacontrolando o c@a"eamento do transistor e asoutras com regulador linear
Pos,reguladoreslineares
E7iciente
Caro
Comple$o
Fontes com mMltiplas sa=das baseados em um
-
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Fontes com mMltiplas sa=das baseados em umMnico con"ersor (regulao cruBada)
Regula,se apenas uma sa=da
As outras 7icam parcialmente
reguladas
!mportante' a impedLncia parasita
associada a cada sa=da de"e ser amenor poss="el
s con"ersores 87l-bac: e 87or/ard: com
-
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-regulao cruBada
Funciona bem se o trans7ormadoresti"er bem 7eito
Pior'.Presena do indutor de 7iltro.
*.s modos de conduo de cadasa=da podem ser di7erentes.
el@orando a regulao cruBada em o
-
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g con"ersor 87or/ard:
s dois enrolamentosoperam no mesmomodo de conduo
n
n*
n+
n0
Condio de proQeto'n% n*4 n+% n0
Re"iso dos con"ersores c c %c a %c c
-
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Re"iso dos con"ersores c.c.%c.a.%c.c.
Con"ersores com isolamento el&trico'.Pus@,Pull*.eia Ponte
+.Ponte Completa
. Con"ersor Pus@,Pull
-
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Con". cc%cc "pus#$pull%
Ret. com trans7.8tap: central
Ret. com dois indutores
Con". cc%cc "pus#$pull%
Ret. em ponte
Con". cc%cc "pus#$pull%
. Con"ersor Pus@ Pull
*. Con"ersor Pus@,Pull
-
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Con"ersor 87or/ard: Con"ersor 87or/ard:
Con"ersor 8pus#$pull:
#
#
>
#
#
>
Co e so us u
+. Con"ersor Pus@,Pull
-
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50/77
S* S
n ' n*
n
nn*
n*
E
2
3
Circuito eui"alenteuando conduB S*'
E9n*%n3
2
Circuito eui"alente
uando conduB S'
E9n*%n3
2
ue acontece uando nen@umdos transistores conduB1
0. Con"ersor Pus@,Pull
-
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3
2
i3
*
i3
i3*Circuito eui"alente uandono conduBem nem Snem S*'
ConduBem ambosdiodos a tenso notrans7ormador & Bero
As correntes i3e i3de"em ser tais ue'
i3
6 i3*
4 i3i3, i3* 4 i3m (sec. trans.)
23
. ;enses no con"ersor 8pus#$pull:
-
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52/77
A tenso "& a mesma ue em um con".87or/ard: com uma raBo c=clica *9
24 *99E9n*%n (en modo continuo)
"sma$4 *9E "ma$4 "*ma$4 *9E9n*%n
t
"S*
t
t
;d9;
t
tComando
t"S
"
"*
"
*9E
*9E
E9n*%n
*9E9n*%n
*9E9n*%n
S S*
S*
n
n
n*
n*
E
23"6
,S
6,
"
6
,"*
"S
6
,
6
,"S*
*
ma$ 4 5.
. Correntes no con"ersor 8pus#$pull:
-
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Correntes m&dias'
!S 4 !S*4 !99(n*%n) ! 4 !* 4 !%*
t
t
t
i3
Comando
iS*
t
i
iS
t
;d9;
t
i*
S S*
S* S
n ' n*
n
nn*
n*
E
2
3
iS
i3
*
i
i*
iS*
i
ma$
4 5.
K. Con"ersor Pus@,Pull
-
7/23/2019 Curso Fonte Chaveada 02 2008
54/77
S* S
n
nE
2
iS
iS*
No controle por 8modo tenso: pode,se saturar otrans7ormador por assimetr=as na durao dos tempos de
conduo dos transistores!deal utiliBar,se o controle por 8modo corrente:
#
#
>
. Con"ersor em eia Ponte (8#alf &ridge:)
-
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55/77
A tenso "& a metade dauela ueocorre no con"ersor 8pus@,pull:
24 9E9n*%n (modo cont=nuo)"sma$4 E "ma$4 "*ma$4 E9n*%n
t
"S*
t
t
;d9;
t
tComando
t"S
"
"*
"
E
E
E95.9n*%n
E9n*%n
E9n*%n
S S*2
S*
n
n*n*E
3
"6,
S
6,
"
6
, "*
"S6
,
6
,
"S*
*
E%*
E%* ma$ 4 5.
*. Correntes no Con"ersor em eia Ponte
-
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Correntes m&dias'
!S 4 !S*4 !99(n*%n) ! 4 !* 4 !%*
t
t
t
i3
Comando
iS*
t
i
iS
t
;d9;
t
i*
S S*
i i3
S*
n
n*n*E
3 i
S
i*
iS
iS*
*
2
E%*
E%* ma$ 4 5.
. Con"ersor em Ponte Completa (8full &ridge:)
-
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A tenso "& igual auela do con"ersor8pus@,pull:
24 *99E9n*%n (modo cont=nuo)"sma$4 E "ma$4 "*ma$4 *9E9n*%n
"S*I "S+
t
Comando
t
"SI "S0 E
E
t
t
t
;d9;
t
"
"*
" E9n*%n
*9E9n*%n
*9E9n*%n
SI S0 S*I S+2
S+
n
n*n*E
3
"6,
S0
6,
"
6
, "*
"S0
6
,
6
,
"S+
*
S
S* ma$ 4 5.
*. Correntes no con"ersor em Ponte Completa
-
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Correntes m&dias'
!S+
4 !S0
4 !99(n
*%n
) !
4 !
*4 !
%*
i i3 i
i*
iS0
2
S+
n
n*n*E
3
S0
*
S
S*
iS+
t
t
t
i3
Comand
iS*
I iS+
t
i
iSI iS0
t
;d9;
t
i*
S*I S+SI S0
ma$
4 5.
Problemas de saturao do trans7ormador docon"ersor em ponte completa
-
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con"ersor em ponte completa
No controle por 8modo tenso: pode,se saturar o
trans7ormador por assimetr=as na durao dos tempos deconduo dos transistores
Solues'
Colocar um capacitor em s&rie CS
sar controle por 8modo corrente:
S*
S CS
E
2S+
S0
Con"ersores com #arramento tipo Fonte de Corrente
-
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Con"ersor c.c.%c.c. "'us#$'ull% alimentado em corrente
Con"ersor c.c.%c.c. em pontealimentado em corrente
. Con"ersor 8pus@,pull: alimentado em corrente
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t
Comando de S
tComando de S*
t
"S*
t
;d9;
t
t
"S
" *92
*929n%n*
*929n%n*
2
"* *92
2E
6
,E
29n%n* 29n%n*
E6,
ConduBemSe S*
Sestbloueado
S*estbloueado
n
n
n*
n*E
2
S*S
6,
"
6,
"*
"S*6
,
min 4 5.
*. Con"ersor 8pus@,pull: alimentado em corrente
-
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E
ConduBemSe S*
6
,E
2
9n
%n*
Sbloueado
29n%n*6,E
S*bloueado
E
ConduBemSe S*
Aplicando o balano 8"olts9segundos:
24 E9(n*%n)%*(,) (modo cont=nuo)
d9; (,d)9;
dura t dura tdura t* dura t*
+. Correntes no 8pus@,pull: alimentado em corrente
-
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i3
i
n
n
n*
n*E S*S
i
i*
iS*min 4 5.
iS
;d9;
t
i
t
iS*
t
t
iS
i3
t
Comando de S
tComando de S*
i*
!S4 !S*4 !9(n*%n)%0(,)
!4 !*4 !%*
Con"ersores alimentados em tenso"s alimentados em corrente
-
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E 2n n*n* n
2 E
,,
odi7icaes
2 4 E9
E 2#uc 2 4 E%(,)
E 2#oost
"s. alimentados em corrente
"'us#$pull% alimentado emtenso
24 *99E9n*%n
E2
n
nn*
n*
"'us#$pull% alimentado em
corrente24 E9(n*%n)%*(,)
E2
n
nn*
n*
Problema do desligamento do con"ersor" # ll% li t d t
-
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"pus#$pull% alimentado em corrente
S*S
i3 ;emos ue garantir ue o7lu$o no indutor no seanule uando sobloueados S e S* nomomento de desligamento
do con"ersori3
utro modo de desmagnetiBar o indutor de entrada
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esmagnetiBao
em direo aentrada
esmagnetiBaoem direo a
sa=da
A ponte completa alimentada em corrente
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esmagnetiBao emdireo a entrada
esmagnetiBao
em direo a sa=da
Se comporta como un 8pus@,pull:
alimentado em correnteI e$ceto a
tenso m$ima no transistor (ue& 2o)
Reti7icador em ponte na sa=da
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"'us#$pull% alimentado em corrente
Ponte completa alimentada em corrente
Como de"em ser as correntes na entrada e nasa=da de um con"ersor1
-
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d,d
i*iEntrada Sa=da
i*i
' Nt
i
t
i*
Situao ideal Situao ideal
Corrente de entrada em cada con"ersor
-
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t
i
i
t
t
i*
t
i*
t
i*
i
t
#uc,boost
i*i#oost
i*i
#uc
i*i
descont=nuacont=nua
descont=nuacont=nua
descont=nua descont=nua
Filtrando a corrente descont=nua de um con"ersor
-
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#uc
#oost
#uc,#oost
Con"ersores re"ers="eis
-
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Flu$o de potDncia
Redutor % ele"ador
2 2*J 2
Flu$o de potDnciaRed.,ele". % Red.,ele".
2 2*
Reti7icador s=ncrono
-
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Em con"ersores com tenso de sa=da bai$a (T I* a 2)e correntes muito ele"adas (*5A)I a ueda de tenso nodiodo reti7icadorI "is a "is da tenso de sa=daI & ele"ada etorna di7=cil o controle da tenso de sa=da.
A ueda de tenso de um diodo P!N & da ordem de I52enuanto ue a do diodo Sc@ot- & de 5I2.
Soluo' Reti7icador s=ncrono apresenta ueda detenso in7erior a 5I2
Reti7icador S=ncrono
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Fonte
reno
Porta
p
n6n,
Curto circuito
n6
p
iodoparasita
transistor osFet & utiliBado como diodoI graas apeuena rdson
Reti7icador S=ncrono autoe$citado (2saidaJ 2)
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Reti7icao con"encional Reti7icao s=ncrona
Reti7icador S=ncrono autoe$citado (2saidaJ 2)Reti7icadores de meia onda
-
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Reti7icao con"encional Reti7icao s=ncrona
Con"ersor eia Ponte assim&trico
(,)9E
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eia ponte com controlecomplementar
,
9E
(,)9E
E
(,)9E
,
E9E