Conversor Buck: Da Teoria ao Projeto

O conversor Buck é um dos circuitos fundamentais no mundo da eletrônica de potência, desempenhando um papel crucial em uma ampla gama de aplicações, desde carregadores de celulares, até fontes de alimentação de sistemas industriais. Neste artigo, vamos explorar os fundamentos desse conversor, desde sua teoria básica até as considerações práticas de projeto.

Introdução ao Conversor Buck

O conversor Buck, também conhecido como conversor abaixador ou step-down, é um tipo básico de conversor cc-cc usado para transformar uma tensão contínua de entrada para uma tensão de saída de valor menor. A tensão de entrada pode vir de um retificador, bateria, painel solar, ou várias outras fontes de tensão. Já a tensão de saída, deve ser constante e estável, para poder atender equipamentos eletrônicos, sem danificá-los.

A estrutura básica de um Conversor Buck é mostrada na Figura 1. Ele é basicamente um Chopper munido de um filtro passa-baixas LC na saída. Como o transistor é acionado com um comando PWM liga/desliga, a tensão na entrada do filtro é pulsada, variando entre a alimentação (E) e zero. No entanto, o filtro serve para amortecer essa ondulação e deixar a tensão de saída mais contínua, eliminando, assim, o ruído de alta frequência.

Funcionamento de um Conversor Buck

O primeiro passo para conhecer o funcionamento de um conversor Buck é compreender as etapas de operação. Para tal, vamos considerar que o conversor opera em regime permanente, ou seja, tensão de saída constante e que a corrente de indutor é sempre positiva. A Fig. 2 ilustra os caminhos de condução de corrente quando a chave do conversor está fechada e quando ela está desligada, assim como apresenta o oscilograma das formas de onda mais importantes.

Equação da tensão de saída

O comando do Conversor Buck segue uma modulação PWM, ou seja, é uma onda quadrada com frequência fixa e que a largura do pulso varia para controlar a tensão de saída do conversor. A chave fica fechada por um intervalo chamado de t_on, onde a tensão na entrada do filtro tem um valor igual a E e a corrente no indutor se carrega. Quando a chave desliga, a tensão na entrada do filtro é nula e o diodo, por sua vez, faz uma roda-livre e o indutor é descarregado. Por definição do PWM, o ciclo de trabalho (D) do conversor é:

Podemos conhecer a tensão média de saída do conversor analisando a tensão sobre o indutor. Note que em t_on a tensão sobre o indutor será (E-Vo), enquanto que no restante do período, ela será -Vo. Assim, como a tensão média de um indutor é nula, chegamos ao seguinte:

Fazendo, t_on = DT e substituindo na equação acima e em seguida dividindo ambos os termos por T, para encontrar o valor médio, temos que:

Portanto, a tensão média na saída do conversor é igual à tensão de entrada (E) vezes o ciclo de trabalho (D). Assim, podemos controlar a saída do conversor simplesmente ajustando o ciclo de trabalho do comando PWM.

Cálculo do Ripple de Corrente e de Tensão

Para calcular o valor do ripple (ondulação) de corrente no indutor, avaliamos a equação do indutor durante o intervalo t_on:

Como, Vo = ED e t_on = DT, temos que:

Onde, f é a frequência do PWM, também conhecida como frequência de chaveamento. Outra informação interessante é o valor da ondulação de tensão na saída do conversor. Podemos encontrar esse parâmetro analisando a forma de onda de corrente no capacitor. A expressão do ripple de tensão é dada por:

Considerações de Projeto

Uma vez tendo o equacionamento do conversor Buck, podemos analisar o seu funcionamento, entretanto, caso o desejo for de projetar um circuito para uma data aplicação, precisamos remodelar essas equações. A partir das equações dos ripples de corrente e tensão, por exemplo, podemos extrair equações que permitam realizar o projeto dos componentes reativos, como:

Nestes casos, os ripples são parâmetros de entrada escolhidos pelo projetista. Além disso, para dimensionar adequadamente um conversor é preciso saber as especificações dos semicondutores. Em ambas chaves (diodo e transistor) a máxima tensão que elas devem suportar é a tensão de entrada (E), já em termos de corrente, o transistor possui uma corrente que é igual à corrente de indutor durante t_on e nula no restante do período, já o diodo, é o complementar. Assim, podemos deduzir que:

Modos de Operação

O conversor Buck possui diferentes modos de operação dependendo da carga que ele opera e das características de seus componentes. Por exemplo, o equacionamento feito acima considera que a corrente no indutor é sempre positiva. Esse modo recebe o nome de Modo de Condução Contínua (CCM – Continuous Conduction Mode). Contudo, ao reduzirmos a carga do conversor, a corrente no indutor irá tentar ficar negativa. Entretanto, como o diodo de roda-livre não permite uma condução reversa, o conversor irá ter um intervalo de tempo com corrente nula, o que chamamos de Modo de Condução Descontínua (DCM – Discontinuous Conduction Mode). Neste modo, a equação Vo = ED não tem mais validade, e a tensão de saída passa a ter maior dependência da carga, além de exibir maior valor para um mesmo ciclo de trabalho em CCM, o que pode gerar problemas de regulação em circuitos que operam em malha aberta.

Para conhecer o modo de operação de um conversor, comumente analisamos o funcionamento do circuito no modo crítica, que é um ponto específico onde a corrente de indutor toca o eixo zero, ou seja, está no limite entre CCM e DCM. Neste caso, definimos uma figura de mérito chamada K, que é definida como:

Onde R é a resistência de carga. No caso do conversor Buck, o modo crítico ocorre quando K = (1-D), sendo que para K > (1-D), o conversor opera em CCM, no entanto, para K < (1-D), ele opera em DCM. A Fig. 3 exemplifica os três modos de operação do conversor Buck e algumas das suas equações típicas.

Como aprender mais sobre o conversor Buck

Então, você de aprender mais sobre o conversor Buck e com mais profundidade? Portanto, veja a aula de conversores Buck do Canal Eletrônica Geral, onde todo equacionamento mostrado neste artigo é apresentado e explicado pelo Prof. Thiago de Oliveira da UFMG.

Aplicações e Conclusões

O conversor Buck tem uma ampla gama de aplicações em eletrônica de potência, desde fontes de alimentação de baixa potência até sistemas de controle de motores. Em resumo, o conversor Buck é uma peça fundamental da eletrônica moderna, oferecendo uma maneira eficiente de controlar a energia elétrica. Ao compreender os princípios básicos e as nuances do projeto, os engenheiros podem aproveitar ao máximo esse componente versátil em uma variedade de aplicações.

Este artigo forneceu uma visão geral abrangente do conversor Buck, desde os fundamentos teóricos até as implicações práticas de projeto. Com essas informações, esperamos que os leitores se sintam mais confiantes ao trabalhar com esse importante elemento da eletrônica de potência.