Sebenta · Implementar circuitos conversores e inversores (UC03883)

Introdução

Praticamente nenhum equipamento elétrico usa a energia exatamente como ela chega. Um telemóvel precisa de 5 V contínuos, a rede portuguesa dá 230 V alternados a 50 Hz. Um motor industrial precisa de velocidade ajustável, a rede dá frequência fixa. É esse desajuste que os circuitos conversores e inversores resolvem: mudam o valor da tensão, o tipo de corrente (contínua ou alternada) ou a frequência, sempre com o máximo de rendimento possível.

Esta sebenta cobre as três grandes famílias que um técnico de eletrónica e automação precisa de dominar: os conversores CC-CC (Buck, Boost, Buck-Boost, Ćuk), os inversores CC-CA (fonte de tensão e fonte de corrente, com controlo PWM) e os conversores CA-CA (controlo de fase e conversão indireta). Em qualquer uma delas, o percurso é o mesmo: entender o princípio, calcular os parâmetros, desenhar e simular o circuito, e por fim montar e medir na bancada.

Objetivos de aprendizagem (referencial): desenvolver um circuito conversor CC-CC; desenvolver um circuito inversor CC-CA; desenvolver e executar um conversor CA-CA. No fim desta UC deves conseguir distinguir conversores e inversores, reconhecer os componentes e a sua função, interpretar esquemas elétricos e eletrónicos, desenhar e simular os três tipos de circuito com parâmetros de eficiência, distorção e potência definidos, montar um conversor CA-CA com controlo de fase para ajustar a velocidade de um motor, e utilizar corretamente software de simulação, osciloscópio e multímetro.

1. Sistemas de conversão de energia

Um sistema de conversão de energia é qualquer circuito que recebe energia elétrica numa forma e a entrega noutra forma, mudando tensão, tipo de corrente ou frequência. Três famílias organizam todo o campo:

O retificador (CA-CC), embora não seja o foco central desta UC, aparece frequentemente como bloco de entrada de inversores e de fontes: muitos equipamentos ligam-se à rede, retificam, e só depois convertem outra vez.

Todos os conversores estudados nesta UC partilham o mesmo princípio operacional: comutar energia a alta frequência através de semicondutores (MOSFET, IGBT, TRIAC) que se comportam como interruptores quase ideais, em vez de dissipar a diferença de tensão em calor como um regulador linear. É essa comutação que permite rendimentos de 85 a 95%, contra os 40 a 60% de uma solução linear equivalente.

2. Fundamentos de eletricidade e eletrónica: corrente, tensão, potência, CC e CA

Três grandezas sustentam todos os cálculos desta UC:

• Tensão (V), em volt, a diferença de potencial entre dois pontos.
• Corrente (I), em ampere, o fluxo de carga elétrica.
• Potência (P), em watt, P = V × I, a energia transferida por unidade de tempo.

Em corrente contínua (CC), tensão e corrente são constantes no tempo (idealmente): é o regime das baterias, dos painéis solares e da maioria dos circuitos eletrónicos internos. Em corrente alternada (CA), tensão e corrente variam periodicamente, tipicamente em onda sinusoidal, como a da rede elétrica portuguesa a 230 V e 50 Hz.

O valor eficaz (RMS)

Numa onda alternada, o valor que importa para efeitos de potência não é o valor de pico, mas o valor eficaz ou RMS (Root Mean Square): o valor de uma tensão contínua equivalente que produziria o mesmo efeito de aquecimento numa resistência. Para uma sinusoide pura:

V_RMS = V_pico / √2 ≈ 0,707 × V_pico

Exemplo resolvido

A rede portuguesa tem V_RMS = 230 V. Qual o valor de pico da onda?

V_pico = V_RMS × √2 = 230 × 1,414 ≈ 325 V

É este valor de pico, e não os 230 V, que qualquer semicondutor ligado diretamente à rede precisa de suportar com margem de segurança.

3. Conversores e inversores: visão geral e campos de aplicação

• Conversor CC-CC: muda o valor de uma tensão contínua, para cima, para baixo, ou invertendo a polaridade.
• Inversor CC-CA: transforma uma tensão contínua numa tensão alternada, controlando a forma de onda e a frequência de saída.
• Conversor CA-CA: muda o valor eficaz e/ou a frequência de uma tensão alternada, direta ou indiretamente.

4. Conversores CC-CC: o conversor Buck (step-down)

O conversor Buck reduz uma tensão contínua de entrada para uma tensão contínua de saída mais baixa. É a topologia CC-CC mais usada, base de praticamente todos os reguladores comutados comerciais (LM2596, MC34063 e semelhantes).

Componentes e princípio de funcionamento

• Interruptor Q (MOSFET), díodo de roda livre D (ou segundo MOSFET em modo síncrono), bobina L, condensador de saída C.
• Com o interruptor fechado: a fonte alimenta a bobina e a carga; a corrente na bobina sobe.
• Com o interruptor aberto: a bobina mantém a corrente através do díodo D; a energia armazenada continua a alimentar a carga, a tensão desce lentamente.
• O condensador C filtra a ondulação residual, entregando uma saída praticamente contínua.

Duty cycle

A relação entre entrada e saída, em modo de condução contínua, depende do duty cycle (D), a fração do período em que o interruptor está fechado:

Vout = D × Vin, logo D = Vout / Vin

Exemplo resolvido passo a passo

Uma fonte de 12 V CC alimenta um circuito que precisa de 5 V.

1. D = Vout / Vin = 5 / 12 ≈ 0,417 (41,7%).
2. Frequência de comutação f = 100 kHz, período T = 1/f = 10 µs.
3. Tempo em condução: t_on = D × T = 0,417 × 10 µs ≈ 4,17 µs.
4. Tempo em corte: t_off = T - t_on ≈ 5,83 µs.

5. Conversores CC-CC: Boost, Buck-Boost e Ćuk

Conversor Boost (step-up)

O Boost eleva a tensão de entrada. A topologia troca a posição da bobina em relação ao Buck: com o interruptor fechado, a bobina acumula energia diretamente da fonte; com o interruptor aberto, essa energia soma-se à da fonte e é entregue à carga a uma tensão mais alta, através do díodo.

Vout = Vin / (1 - D)

Exemplo resolvido passo a passo

Uma bateria de 3,7 V (uma célula Li-ion) alimenta um circuito USB a 5 V.

1. 5 = 3,7 / (1 - D) → (1 - D) = 3,7 / 5 = 0,74.
2. D = 1 - 0,74 = 0,26 (26%).
3. Com corrente de saída de 500 mA e rendimento η ≈ 90%: Pout = Vout × Iout = 5 × 0,5 = 2,5 W.
4. Pin = Pout / η = 2,5 / 0,9 ≈ 2,78 W.
5. Corrente de entrada: Iin = Pin / Vin = 2,78 / 3,7 ≈ 0,75 A.

Nota importante: no Boost, a corrente de entrada é sempre maior que a corrente de saída, porque a fonte trabalha a tensão mais baixa e a potência tem de se conservar (menos as perdas).

Conversor Buck-Boost

O Buck-Boost pode elevar ou reduzir a tensão consoante o duty cycle, mas inverte a polaridade da saída:

Vout = -D / (1 - D) × Vin

Com Vin = 12 V e D = 0,6: Vout = -0,6/0,4 × 12 = -18 V (18 V com polaridade invertida em relação à massa de entrada).

Conversor Ćuk

O Ćuk tem a mesma relação de tensões que o Buck-Boost, também inversor de polaridade, mas usa transferência de energia por condensador entre dois indutores (um à entrada, um à saída), o que dá correntes de entrada e de saída mais contínuas, com menos ruído eletromagnético. É mais complexo de projetar, mas preferido em aplicações sensíveis a ruído, como sistemas fotovoltaicos.

Tabela-resumo das quatro topologias

6. Componentes passivos em conversores: indutores e condensadores

Dimensionar a bobina

A bobina armazena energia magnética e define a ondulação de corrente. No Buck:

ΔIL = (Vin - Vout) × D / (f × L)

Exemplo resolvido passo a passo

Buck com Vin = 12 V, Vout = 5 V, D ≈ 0,417, f = 100 kHz, bobina L = 22 µH.

ΔIL = (12 - 5) × 0,417 / (100 000 × 0,000022) = 2,92 / 2,2 ≈ 1,33 A

Regra prática de projeto: dimensionar a bobina para uma ondulação entre 20 e 40% da corrente média de saída. Uma bobina maior reduz a ondulação, mas aumenta o volume e o custo. É igualmente essencial verificar, no datasheet, a corrente de saturação: acima dela, a bobina perde a capacidade de armazenar energia de forma linear e o conversor deixa de funcionar como previsto.

Dimensionar o condensador de saída

O condensador filtra a ondulação de tensão resultante da ondulação de corrente na bobina:

ΔVout ≈ ΔIL / (8 × f × C)

Exemplo resolvido passo a passo

Com ΔIL = 1,33 A, f = 100 kHz, C = 100 µF:

ΔVout ≈ 1,33 / (8 × 100 000 × 0,0001) = 1,33 / 80 ≈ 16,6 mV

7. Conversores CA-CA: diretos e indiretos, controlo de fase e conversores de matriz

Conversores CA-CA diretos

Mudam o valor eficaz e/ou a frequência de uma tensão alternada sem passar por uma etapa intermédia em CC.

• Controlador de tensão CA: usa um TRIAC (ou dois tirístores em antiparalelo) para "cortar" parte de cada semiciclo, reduzindo o valor eficaz entregue à carga. É o princípio do dimmer e de reguladores de aquecedores resistivos.
• Conversor de matriz: usa uma matriz de interruptores bidirecionais para ligar diretamente cada fase de entrada a cada fase de saída, sintetizando uma nova frequência sem barramento CC intermédio. Mais eficiente em teoria, mas de controlo mais complexo, usado em aplicações industriais específicas.

Controlo de fase, em detalhe

O ângulo de disparo α define o instante, dentro de cada semiciclo, em que o TRIAC entra em condução:

• α pequeno → o TRIAC conduz quase todo o semiciclo → tensão eficaz alta na carga.
• α grande → o TRIAC conduz pouco tempo → tensão eficaz baixa na carga.

O circuito de disparo típico usa uma rede RC com um DIAC (ex.: DB3) ligado à gate do TRIAC (ex.: BT136); em aplicações mais precisas, um microcontrolador com deteção de passagem por zero controla o instante de disparo com um opto-TRIAC (ex.: MOC3021) para isolamento galvânico.

Conversores CA-CA indiretos

Passam por uma etapa intermédia em CC:

CA de entrada → Retificador → barramento CC (filtrado) → Inversor → CA de saída (V e f ajustáveis)

É a base dos variadores de velocidade (VFD) industriais: retifica a rede, filtra num condensador de barramento, e o inversor (Bloco 11 do referencial, ver capítulo 9) gera uma nova onda CA por PWM, com tensão e frequência controladas de forma independente. É mais flexível que o controlo de fase direto, mas com mais etapas e, por isso, mais perdas.

8. Aplicações de conversores CA-CA: controlo de velocidade de motores e qualidade de energia

• Motores universais (ex.: eletrodomésticos como aspiradores e berbequins) podem ter a velocidade regulada por controlo de fase, reduzindo diretamente a tensão eficaz aplicada.
• Motores trifásicos de indução exigem, para um controlo eficiente de velocidade e binário em toda a gama, um VFD (conversor CA-CA indireto), que ajusta tensão e frequência em conjunto, mantendo aproximadamente constante a relação V/f.
• Qualidade de energia: qualquer conversor CA-CA introduz correntes não sinusoidais na rede, gerando harmónicas. Filtros de entrada e conversores com correção do fator de potência atenuam este efeito, cada vez mais regulado por norma.

Exemplo resolvido: escolher a solução certa

Uma serralharia precisa de reduzir a velocidade de um motor universal de 230 V de um esmeril portátil e, noutra máquina, ajustar a velocidade de um motor trifásico de indução de uma bomba.

1. Esmeril (motor universal, monofásico): controlo de fase com TRIAC é suficiente e económico.
2. Bomba (motor trifásico de indução): controlo de fase não garante binário estável a baixa velocidade; a solução correta é um VFD (CA-CA indireto).

9. Inversores CC-CA: fonte de tensão e fonte de corrente

Inversor de fonte de tensão (VSI)

O VSI (Voltage Source Inverter) é alimentado por uma fonte CC de baixa impedância (bateria, condensador de barramento) e impõe a forma de onda de tensão à saída, deixando a corrente livre, definida pela carga.

• Topologia típica: ponte em H (4 interruptores) em monofásico, ponte de 6 interruptores em trifásico.
• É a topologia dominante em inversores solares, UPS e VFDs.
• Interruptores típicos: MOSFET (ex.: IRF3205) em baixa potência, IGBT em potências maiores; o driver de gate (ex.: IR2110) garante o comando correto dos interruptores superiores e inferiores.

Inversor de fonte de corrente (CSI)

O CSI (Current Source Inverter) é alimentado através de uma bobina série de grande valor, que mantém a corrente praticamente constante, impondo a forma de onda de corrente e deixando a tensão livre, definida pela carga.

10. PWM e técnicas de controlo

A modulação por largura de pulso (PWM, Pulse Width Modulation) é a técnica que permite a um inversor sintetizar uma onda CA sinusoidal a partir de comutações rápidas entre os níveis CC disponíveis.

Princípio

1. Compara-se uma onda de referência sinusoidal, à frequência que se pretende gerar (ex.: 50 Hz), com uma onda triangular de alta frequência, a portadora (ex.: 10 kHz).
2. Quando a referência é maior que a portadora, o interruptor liga; quando é menor, desliga.
3. O resultado é uma sequência de pulsos de largura variável que, filtrada pela indutância da carga (ou por um filtro LC de saída), se aproxima de uma sinusoide.

Índice de modulação: ma = V_ref,pico / V_portadora,pico

Com ma = 1, a portadora e a referência têm a mesma amplitude de pico; acima disso entra-se em sobremodulação, a onda distorce e surgem mais harmónicas de baixa ordem.

Distorção Harmónica Total (THD)

A THD mede o quanto a onda de saída se desvia de uma sinusoide pura. Reduz-se a THD:

• aumentando a frequência de comutação (portadora), dentro dos limites térmicos do semicondutor;
• usando filtros LC de saída bem dimensionados.

Exemplo resolvido

Um inversor solar apresenta THD de 8% na saída, medida no simulador. A norma de ligação à rede pública exige THD abaixo de 5%. Solução: acrescentar um filtro LC de saída dimensionado para atenuar as harmónicas dominantes em torno da frequência de comutação, reduzindo a THD para 2 a 3%, dentro da especificação.

11. Aplicações de inversores: energia renovável e controlo de motores

• Sistemas fotovoltaicos: o inversor converte a CC dos painéis solares em CA, sincronizada com a rede (ligação à rede pública) ou para uso autónomo (sistema de ilha), com MPPT (seguimento do ponto de potência máxima) integrado para maximizar a energia extraída dos painéis em cada instante.
• UPS (fonte de alimentação ininterrupta): a bateria alimenta um inversor que assume a carga em caso de falha da rede, com comutação suficientemente rápida para o utilizador não notar o corte.
• Controlo de motores AC (VFD): o inversor gera tensão e frequência variáveis, controlando velocidade e binário do motor com poupanças de energia significativas face ao arranque direto, sobretudo em cargas que não exigem binário máximo constante (bombas, ventiladores).

12. Instrumentação e simulação: osciloscópio, multímetro e software

Multímetro

• Tensão CC na saída de um conversor CC-CC: função CC, ponta no positivo e negativo da saída.
• Tensão CA / RMS: exige um multímetro True RMS; um multímetro comum erra significativamente em ondas PWM ou distorcidas, porque assume uma sinusoide pura para calcular o valor eficaz.
• Corrente: medir sempre em série, com atenção ao calibre e ao fusível interno do aparelho.
• Nunca medir resistência com o circuito alimentado.

Osciloscópio

1. Selecionar e compensar a sonda (atenuação 1x ou 10x).
2. Ligar a massa da sonda a um ponto de referência seguro do circuito.
3. Ajustar a escala vertical (V/div) e horizontal (tempo/div) à frequência esperada.
4. Usar o trigger para estabilizar a imagem no flanco de comutação.
5. Medir ondulação de saída, tempo de subida, duty cycle e frequência diretamente no ecrã.

Software de desenho e simulação

Antes de montar fisicamente, valida-se o circuito em software (LTspice, Multisim, Proteus, Tinkercad Circuits):

1. Desenhar o esquema com os componentes corretos (interruptor, díodo, L, C, carga).
2. Definir os parâmetros de comutação (frequência, duty cycle) na fonte de controlo.
3. Correr a simulação transitória e observar a forma de onda de saída.
4. Medir, com sondas virtuais, a ondulação, o valor médio e a eficiência estimada.
5. Ajustar componentes até cumprir as especificações (tensão, ondulação, THD, potência).

Erros comuns

• Trocar Vin e Vout na fórmula do Buck, ou tentar aplicar a fórmula do Buck ao Boost.
• Esquecer o díodo de roda livre num Buck: a bobina gera um pico de tensão destrutivo quando o interruptor abre.
• Esquecer a inversão de polaridade num Buck-Boost ou Ćuk, e queimar componentes polarizados na saída.
• Escolher a bobina só pela indutância, sem verificar a corrente de saturação no datasheet.
• Usar um multímetro comum (não True RMS) para medir a saída PWM de um inversor.
• Ligar em condução simultânea os dois interruptores do mesmo braço de uma ponte em H (shoot-through), por falta de tempo morto.
• Achar que um TRIAC pode ser desligado a meio da condução por um sinal de controlo: só desliga quando a corrente passa por zero.
• Tentar controlar a velocidade de um motor trifásico industrial só com controlo de fase, sem recorrer a um VFD.
• Dar o circuito por concluído por "parecer funcionar", sem verificar os valores medidos face às especificações definidas.

Glossário

• Conversor CC-CC · circuito que muda o valor de uma tensão contínua.
• Inversor CC-CA · circuito que transforma tensão contínua em alternada.
• Conversor CA-CA · circuito que muda o valor eficaz e/ou a frequência de uma tensão alternada.
• Duty cycle (D) · fração do período em que o interruptor de um conversor está fechado.
• Buck · conversor CC-CC que reduz a tensão.
• Boost · conversor CC-CC que eleva a tensão.
• Buck-Boost / Ćuk · conversores CC-CC que invertem a polaridade e podem elevar ou reduzir.
• VSI / CSI · inversor de fonte de tensão / de fonte de corrente.
• PWM · modulação por largura de pulso, técnica de síntese de onda por comutação.
• THD · Distorção Harmónica Total, medida da qualidade de uma onda face a uma sinusoide pura.
• TRIAC / DIAC · semicondutores de comutação usados no controlo de fase CA-CA.
• Controlo de fase · técnica de atrasar o disparo do interruptor CA-CA dentro do semiciclo.
• VFD · variador de velocidade (conversor CA-CA indireto: retificador + inversor).
• MPPT · seguimento do ponto de potência máxima, usado em inversores solares.
• True RMS · multímetro que calcula corretamente o valor eficaz de ondas não sinusoidais.
• ESR · resistência série equivalente de um condensador.
• Shoot-through / tempo morto · curto-circuito por comutação simultânea dos dois interruptores de um braço, e a proteção que o evita.

Síntese

Converter energia elétrica é mudar tensão, tipo de corrente ou frequência com o máximo de rendimento, através de comutação a alta frequência em vez de dissipação. Nos conversores CC-CC, o Buck reduz, o Boost eleva, o Buck-Boost e o Ćuk invertem a polaridade e podem subir ou descer, todos calculados a partir do duty cycle e dimensionados pela ondulação de corrente na bobina e de tensão no condensador. Nos inversores CC-CA, a ponte em H (VSI, a topologia dominante) sintetiza a onda alternada por PWM, controlada pelo índice de modulação e avaliada pela THD. Nos conversores CA-CA, o controlo de fase com TRIAC serve aplicações diretas e simples, enquanto o VFD (retificador + inversor) controla motores trifásicos com tensão e frequência ajustáveis em conjunto. Em todos os casos, o percurso profissional é o mesmo: calcular, desenhar e simular em software, montar na bancada, e verificar com osciloscópio e multímetro True RMS que o circuito cumpre as especificações definidas.

Exercícios resolvidos

1. Um conversor Buck tem Vin = 24 V e precisa de entregar Vout = 9 V. Qual o duty cycle?

Resolução: D = Vout/Vin = 9/24 = 0,375 (37,5%).

2. Um conversor Boost tem Vin = 5 V e duty cycle D = 0,5. Qual a tensão de saída?

Resolução: Vout = Vin/(1-D) = 5/(1-0,5) = 5/0,5 = 10 V.

3. Um Buck-Boost tem Vin = 15 V e D = 0,4. Qual a tensão de saída, em módulo e sinal?

Resolução: Vout = -D/(1-D) × Vin = -0,4/0,6 × 15 = -0,667 × 15 ≈ -10 V (10 V com polaridade invertida).

4. Um técnico mede a saída de um inversor PWM com um multímetro comum (não True RMS) e obtém um valor muito diferente do calculado. Qual a explicação mais provável?

Resolução: um multímetro comum calcula o valor RMS assumindo uma onda sinusoidal pura; a saída PWM tem uma forma de onda em pulsos, não sinusoidal, pelo que a leitura é incorreta. É preciso um multímetro True RMS, que calcula o valor eficaz real independentemente da forma de onda.

5. Que topologia CA-CA se deve usar para ajustar a velocidade de um motor trifásico industrial de uma bomba, e porquê?

Resolução: um VFD (conversor CA-CA indireto: retificador + inversor). O controlo de fase direto não garante binário estável em toda a gama de velocidades de um motor trifásico; o VFD ajusta tensão e frequência em conjunto, controlando velocidade e binário de forma eficiente.

6. Um TRIAC de um dimmer não apaga quando o sinal de controlo é removido a meio do semiciclo. É avaria?

Resolução: não é necessariamente avaria. Um TRIAC só deixa de conduzir quando a corrente que o atravessa passa naturalmente por zero (comutação natural); não pode ser desligado por comando a meio da condução. É um comportamento normal do componente.