Usando conversores DC / DC para automação industrial

Eletrônica de potência é um campo da engenharia elétrica que lida com circuitos eletrônicos para converter e controlar energia elétrica. É um campo extremamente importante com aplicações de amplo alcance, uma vez que praticamente todos os dispositivos modernos são equipados com alguma forma de circuito eletrônico de potência. Alguns dos componentes eletrônicos mais comuns usados ​​para conversão de energia são diodos, retificadores, transistores, tiristores, SCRs (retificador controlado por silício) e MOSFETs (transistor de efeito de campo de óxido metálico).

Figura 1 . A eletrônica de potência é um elemento crucial, presente em quase todos os equipamentos elétricos modernos. Imagem usada cortesia de Skyfi Labs

Os conversores de energia elétrica são projetados para alterar as principais características da energia elétrica, como corrente, frequência e voltagem. Naturalmente, a forma básica, seja corrente alternada (AC) ou corrente contínua (DC), é outro parâmetro importante, que também pode ser modificado da entrada para a saída.

Esses recursos permitem que os sistemas eletrônicos de potência regulem uma ampla gama de variáveis ​​não elétricas, como temperatura, velocidade do motor e frequências de rádio. Este artigo tem como foco os conversores DC / DC, que possuem todas as características descritas anteriormente, com a principal diferença de que a forma de energia elétrica é sempre DC.

O que é um conversor DC / DC?

Um conversor DC / DC obtém energia na forma DC e produz um nível de tensão modificado enquanto permanece na forma DC. A tensão de saída pode ser maior ou menor que a de entrada. Eles também são comumente conhecidos como reguladores de tensão. Esses dispositivos regulam a saída de uma fonte de alimentação que pode não ser estável ou constante, como aquelas encontradas em sistemas operados por bateria.

Os conversores DC / DC são normalmente avaliados com base na tensão e corrente de entrada e saída. Embora muitos conversores tenham uma classificação de saída fixa, alguns permitem o ajuste da saída dentro de uma faixa. A maioria dos conversores conta com uma única saída, mas também existem opções com saídas duplas e múltiplas. Com base na função primária, eles podem consistir em indutores, diodos, retificadores e filtros.

Figura 2. Conversores DC / DC de alta potência são amplamente usados ​​em sistemas de transporte de massa. Imagem usada cortesia de Absopulse

Para um processo eficiente, os circuitos reguladores de tensão empregam eletrônicos de potência para reduzir o ruído e manter uma saída constante. Reguladores bem projetados têm uma classificação de eficiência de 90% ou mais, o que é uma consideração importante para reduzir a perda de energia e a dissipação de calor.

Topologias de conversores DC / DC

Os conversores DC / DC podem ser classificados em dois grupos principais:lineares e comutação.

Dispositivos reguladores lineares funcionam de forma semelhante a um divisor de tensão, mantendo uma tensão constante modificada na saída. Uma grande desvantagem desses reguladores é a ineficiência, já que quase toda a diferença entre a entrada e a saída regulada é perdida como calor residual. Por outro lado, os reguladores de chaveamento funcionam com mais eficiência ligando e desligando a saída conforme necessário, em vez de permanentemente na saída.

Existem dois tipos principais de conversores de comutação DC / DC:isolados e não isolados.

Os últimos são usados ​​principalmente quando a mudança de tensão entre a entrada e a saída é relativamente pequena. A entrada e a saída não são isoladas uma da outra porque compartilham um terreno comum. Por outro lado, os conversores isolados são projetados para separar fisicamente a entrada da saída, fornecendo maior proteção contra interferência e fornecendo uma saída mais confiável. Abaixo estão alguns dos tipos mais comuns de conversores em cada categoria.

Não isolado

• Conversor Step-up :Também conhecido como conversor boost, a saída de tensão deste dispositivo é igual ou superior à entrada, mantendo a mesma polaridade. Este dispositivo funciona armazenando energia em um indutor (L), que pode fluir para a saída com base na polarização de um diodo (D) controlado por uma chave (S).

Figura 3. Uma animação do conversor de impulso. Imagem usada cortesia de Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Conversor step-down: Também conhecido como conversor buck, a saída de tensão é igual ou inferior à entrada. A principal diferença entre este e o conversor boost é a localização do diodo e do indutor. Nesse caso, quando a chave (S) está desligada, o circuito equivalente formado pelo diodo (D) e indutor (L) permite que a energia armazenada flua para a saída.
• Conversor Buck-boost :Esses dispositivos geram uma saída de tensão que pode ser menor, igual ou maior que a tensão de entrada. Eles oferecem a capacidade de inverter polaridades, uma aplicação comum. O circuito é uma combinação dos conversores buck e boost.

Figura 4. Comparação de conversores buck, boost e buck-boost. Imagem usada cortesia de Cyril Buttay

Isolado

• Conversor Flyback :Opera de forma semelhante a um conversor buck-boost, mas em vez disso, um transformador armazena energia. O transformador fornece o isolamento entre a entrada e a saída.
• Conversor progressivo :Semelhante ao conversor flyback, mas a etapa de transformação é colocada em primeiro lugar, seguida por uma conversão de aumento de valor tradicional.

Aplicações de automação industrial

Conforme mencionado, os conversores DC / DC têm uma ampla gama de aplicações, incluindo automação industrial. Um grande número de dispositivos de campo requerem alimentação de 24 V. Por exemplo, os painéis elétricos são equipados com conversores abaixadores DC / DC que reduzem a tensão da fonte de alimentação principal. Alguns dispositivos de campo não apenas requerem esse nível de tensão, mas também são sensíveis o suficiente para precisar de um fornecimento de energia limpa e estável, que é outra razão para integrar um conversor.

Figura 5. Um conversor DC / DC isolado da Phoenix Contact. Imagem usada cortesia de Phoenix Contact

Existem inúmeras aplicações de automação alimentadas por bateria onde é crucial integrar conversores DC / DC para manter uma fonte de alimentação constante para pequenos dispositivos. Conforme a bateria é descarregada, os níveis de tensão caem gradualmente. A tensão da bateria também está sujeita a quedas repentinas devido a demandas inesperadamente altas de energia para o equipamento controlado. Máquinas automáticas móveis, como robôs móveis autônomos (AMRs) e veículos guiados por laser (LGVs), são exemplos de robôs alimentados por bateria que precisam de conversores DC / DC para garantir um fornecimento de energia estável para o controlador lógico programável (PLC) e outros Dispositivos de controle.