Aumente a Eficiência da Automação Industrial com Conversores DC/DC

Eletrônica de potência é um campo da engenharia elétrica que lida com circuitos eletrônicos para converter e controlar potência elétrica. É um campo extremamente importante com aplicações de amplo alcance, já que praticamente todo dispositivo moderno é equipado com alguma forma de circuito de eletrônica de potência. Alguns dos componentes eletrônicos mais comuns usados para conversão de potência são diodos, retificadores, transistores, tiristores, SCRs (retificador controlado de silício) e MOSFETs (transistor de efeito de campo de óxido metálico).

 

Figura 1. Eletrônica de potência são elementos cruciais presentes em quase todos equipamentos elétricos modernos. Imagem usada com cortesia de Skyfi Labs

 

Conversores de potência elétrica são projetados para alterar as principais características da potência elétrica, como corrente, frequência e tensão. Naturalmente, a forma básica, seja corrente alternada (CA) ou corrente contínua (CC), é outro parâmetro chave, que também pode ser modificado da entrada para a saída.

Essas capacidades permitem que sistemas de eletrônica de potência regulem uma ampla gama de variáveis não elétricas, como temperatura, velocidade do motor e frequências de rádio. Este artigo foca em conversores DC/DC, que possuem todas as características descritas antes, com a principal diferença sendo que a forma de potência elétrica é sempre CC.

 

O Que é um Conversor DC/DC?

Um conversor DC/DC recebe potência em forma CC e emite um nível de tensão modificado enquanto permanece em forma CC. 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 energia que pode não ser estável ou constante, como aquelas encontradas em sistemas operados por bateria.

Conversores DC/DC são normalmente classificados com base na tensão e corrente de entrada e saída. Embora muitos conversores tenham uma classificação de saída fixa, alguns permitem 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. Baseados na função primária, eles podem consistir de indutores, diodos, retificadores e filtros.

 

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

 

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

 

Topologias de Conversores DC/DC

Conversores DC/DC podem ser classificados em dois grupos principais: linear e chaveado.

Dispositivos reguladores lineares funcionam similar a um divisor de tensão, mantendo uma tensão modificada constante na saída. Uma grande desvantagem desses reguladores é a ineficiência, pois quase toda a diferença entre a entrada e a saída regulada é perdida como calor residual. Por outro lado, reguladores chaveados funcionam de forma mais eficiente ligando e desligando a saída conforme necessário em vez de permanentemente ligada.

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

Os últimos são usados principalmente quando a mudança de tensão entre entrada e saída é relativamente pequena. Entrada e saída não são isoladas uma da outra porque compartilham um terra comum. Inversamente, 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 Isolados

• Conversor step-up: Também conhecido como conversor boost, a tensão de saída deste dispositivo é igual ou maior que a entrada mantendo a mesma polaridade. Este dispositivo funciona armazenando energia em um indutor (L), que é permitido fluir para a saída com base no polarização de um diodo (D) controlado por uma chave (S).

 

Figura 3. Animação de um conversor boost. Imagem usada com cortesia de Marino108LFS [CC BY-SA]

 

• Conversor step-down: Também conhecido como conversor buck, a tensão de saída é igual ou menor que a entrada. A principal diferença entre este e o conversor boost é a colocação do diodo e indutor. Neste 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: Estes dispositivos geram uma tensão de saída 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 com cortesia de Cyril Buttay

 

Isolados

• Conversor flyback: Opera similar a um conversor buck-boost, mas um transformador armazena energia em vez disso. O transformador fornece o isolamento entre entrada e saída.
• Conversor forward: Similar ao conversor flyback, mas a etapa de transformação é colocada primeiro, seguida por uma conversão buck-boost tradicional.

 

Aplicações em Automação Industrial

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

 

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

Existem numerosas aplicações de automação alimentadas por bateria onde é crucial integrar conversores DC/DC para manter um fornecimento de energia constante a pequenos dispositivos. À medida que uma bateria descarrega, os níveis de tensão caem gradualmente. A tensão da bateria também está sujeita a quedas repentinas devido a demandas de energia inesperadamente altas no equipamento controlado. Robôs automatizados móveis, como robôs móveis autônomos (AMRs) e veículos guiados a laser (LGVs), são exemplos de robôs alimentados por bateria que precisam de conversores DC/DC para garantir um fornecimento de energia estável ao controlador lógico programável (CLP) e outros dispositivos de controle.