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Usando simulação para projetar um carregador

Carregadores de bateria são indispensáveis atualmente, com a crescente demanda por dispositivos móveis e conectados, entre outros. Caso o mesmo não possua um carregador é possível que este seja conectado a energia por uma fonte. Cujo princípio de funcionamento é muito semelhante ao de um carregador. 

São vários os tipos de conversores de energia utilizados, com diferentes funcionalidades, considerando que a finalidade que cada um deles atende. Até podem haver espaços de sobreposição com as características mais básicas. Entretanto, sempre há uma característica importante e determinante para a seleção de um conversor, normalmente pede-se que seja alcançado o menor custo possível.

Como conversores são baseados em chaveamento, normalmente em alta frequência, pois o proveito tirado disso está no tamanho dos magnéticos sendo usados, e também na eficiência de conversão, entre outros benefícios, como peso, temperatura, durabilidade.

Diferentes são as topologias que podem ser usadas para um conversor, entretanto uma delas é comum entre as mais variadas faixas de potência, o Flyback, o qual é o objeto de estudo deste trabalho.

Figura 1 – Esquema do conversor Flyback
Hart, Daniel. Eletrônica de Potência, 2012

O Flyback trabalha em estágios, quando a chave está fechada, o primário é carregado, e a tensão na fonte é a da indutância de magnetização do transformador. Quando a chave abre a carga é então transferida para o secundário, e o diodo de saída é reversamente polarizado.

Características do conversor Flyback

Em um mundo ideal a forma de onda da saída seria linear, e só haveria condução no primário quando a chave fecha, e no secundário quando a chave abre. Entretanto sabendo que podemos idealizar algumas coisas para facilitar o entendimento, mas a aplicação real pode ser muito diferente do ideal.

Há uma característica importante a ser ressaltada, que o transformador do conversor Flyback não é de fato um transformador. Ele normalmente possui gaps ou central (mais comum) ou lateral. E isso faz com que ele seja um indutor e por possuir primário e secundário o mesmo pode ser entendido como indutores acoplados, pois compartilham do mesmo núcleo magnético. 

Os indutores acoplados de um conversor Flyback podem ser montados de diferentes modos, há varias configurações mecânicas diferentes. Nesse artigo será considerado o núcleo do tipo EE, que assim como as letras são montados frontalmente um para o outro.

A construção do transformador com relação ao tipo de fio utilizado, ao material do núcleo e principalmente a maneira de como é enrolado afeta uma outra característica importante para o indutor que é a Indutância parasita, também conhecida como Indutância de leakage.

Quando o conversor está operando um driver aplica um sinal na chave que comuta em  alta frequência, e com uma razão cíclica menor que um. Portanto parte do tempo a chave está aberta e parte do tempo a chave está fechada. Os transientes que acontecem nos intervalos de tempo entre a chave abrir e fechar é que são afetados pelas características não ideais do transformador, como citado anteriormente pela indutância parasita.

Efetuando medições do circuito com osciloscópio

O efeito é que ao abrir a chave do primário, ele não descarrega instantaneamente, com toda a tensão passando para o secundário. A corrente armazenada no primário que é composto também pela indutância parasita precisa de um caminho para ser dissipada ou uma tensão muito grande será aplicada sobre a chave e esta pode não suportar ou degradar mais facilmente, como observado na Figura 2.

Figura 2 – Oscilação do secundário chave desligada

O mesmo é válido para o momento que a chave fecha e o circuito é carregado. Nesse momento o circuito não estabiliza instantaneamente, havendo uma oscilação que tende a multiplicar a tensão aplicada sobre a chave e a mesma pode se degradar ou não suportar.

Figura 3 – Oscilação na chave ao fechar o circuito

Na Figura 3, é possível observar o efeito mencionado anteriormente, onde a tensão medida é sobre a chave, e a tensão de entrada é 220V, portanto um barramento DC de 311V, entretanto a tensão sobre a chave é aproximadamente 50% maior que a tensão de entrada, devido às indutâncias do circuito.

No desenvolvimento de uma fonte chaveada, é possível projetar circuitos grampeadores (clamp), e amortizadores (snubber), de modo que o circuito fique mais robusto. Considerando as não idealidades de um transformador, quando se está projetando o circuito é o ideal, entretanto não é possível somente calcular as perdas e não idealidades de um transformador baseado no seu projeto. É necessário que sejam produzidas partes que atendam o projeto e que estas sejam montadas no circuito para então ser avaliado o desempenho.

Portanto é preciso assumir uma condição de circuito de snubber que segue projetos anteriores, ou usar do bom senso com as variáveis, mas o recurso de poder simular a construção do transformador e obter as medidas necessárias antes mesmo de que uma amostra seja produzida é algo que trás muito ganho de tempo em projeto e também aumento de confiabilidade.

Simulação utilizando o pacote EDT da Ansys

Utilizando o Ansys Maxwell é possível fazer uma simulação do tipo Eddy current no qual as variáveis de interesse serão calculadas virtualmente a partir do modelo do transformador. A construção do mesmo é facilitada por uma biblioteca com materiais, e por uma extensão que constrói o modelo a partir das informações de entrada do usuário. 

A potência da fonte em questão é de 15W, com 12V, portanto um tamanho de núcleo adequado é o EE20, onde a dimensão D1, conforme Figura 4 dá nome ao núcleo, outras dimensões importantes são definidas e também o tamanho e localização do gap.

Figura 4 – Configuração do núcleo

Outro ponto importante é a definição dos materiais, como cobre, com características corretas de condutividade elétrica e térmica. Bem como a definição do material do núcleo, pois este será responsável pela correta representação do comportamento magnético do mesmo. Na Figura 5 é possível observar a tabela com a definição do material do núcleo. Onde o ferrite 3C90 foi escolhido por apresentar as características mais similares ao material atualmente utilizado com amostras físicas.

Figura 5 – Propriedades do material do núcleo

O transformador quando enrolado pode ter suas camadas construídas de diferentes modos. Uma das maneiras adotadas é a montagem chamada sanduíche (ou split) no qual o enrolamento do primário é dividido ao meio e a primeira camada enrolada mais próximo ao núcleo, na sequência o secundário, e para finalizar a camada restante do primário. Em sua aparência externa não nota-se nenhuma diferença, entretanto a característica magnética e indutiva varia bastante procedendo de um jeito ou de outro. A Figura 6 ilustra a montagem do transformador como descrito anteriormente.

Figura 6 – Transformador split (esquerda) e não split (direita)

Ao modelar o transformador, considerando que a estrutura do mesmo é simétrica e a fim de simplificar a resolução das equações. Tomando como exemplo o transformador split a Figura 7 mostra o modelo geométrico em simetria.

Figura 7 – Modelo do transformador em corte

Análise dos resultados

Um dos resultados possíveis para o Eddy current e as perdas no núcleo, nesse caso em perdas magnéticas e térmicas. Ver Figura 8, no qual é possível observar que o transformador sanduíche, possui mais perdas, e o mesmo é válido para perdas no cobre. Entretanto, essa configuração tende a entregar a saída como uma ondulação menor. 

Figura 8 – Perdas no núcleo – resultado de simulação

A característica de interesse para cálculo do circuito de Snubber e circuito de grampeamento, como mencionado anteriormente, também foi obtida como resultado da simulação. Onde se comprova a teoria, e além disso tem-se um valor que pode ser entrada para os cálculos de circuito de maneira mais assertiva. No caso simulado o valor de indutância parasita do transformador split foi de 11.9uH enquanto para o não split foi de 23uH. Comprovando que a teoria é válida e além disso dando um número para essa diferença.

A simulação de um transformador para fonte chaveada pode ser muito mais completo e trazer muito mais informações do que essa simples simulação. Um conjunto de informações muito valiosas que é conhecido como CAE e tem sido cada vez mais aplicado em projetos de engenharia.

A partir daqui um modelo da placa como um todo contendo o transformador em questão poderia. Ser feita e então resolver a mesma para perdas térmicas, para compatibilidade eletromagnética. Onde cada projeto de transformador também impacta nas emissões conduzidas e radiadas de uma fonte. Portanto prever um comportamento desse antes de produzir amostras garantiria ações preditivas e não corretivas e pouparia ciclos de projetos.

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