BRPI0520440B1

BRPI0520440B1 - conversor abaixador de tensão, equipamento de instrumentação industrial e fluxímetro de coriolis

Info

Publication number: BRPI0520440B1
Application number: BRPI0520440-2A
Authority: BR
Inventors: Lindemann Stig; M. Mansfield William
Original assignee: Micro Motion, Inc.
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2018-03-27
Also published as: CA2616728A1; RU2638021C2; AR054571A1; KR20100109574A; WO2007018498A1; US7940533B2; EP1917710A1; RU2009136283A; CN101228683B; CN101228683A; BRPI0520440A2; JP2009504119A; AU2005335243A1; HK1123131A1; CA2616728C; AU2005335243B2; US20100128499A1; RU2016102169A

Abstract

conversor de tensão do tipo step-down. um conversor de tensão do tipo step-down (100) para a geração de uma tensão de saída (vout) a partir de uma tensão de entrada (vin) é provido. o conversor (100) inclui uma chave (111) tendo um primeiro terminal (112) e um segundo terminal (114), em que o segundo terminal (114) é eletricamente acoplado à tensão de saída (vout) é ainda incluído um retificador (117) tendo um primeiro terminal (118) e um segundo terminal (120), em que o segundo terminal (120) é eletricamente acoplado à tensão de saida (vout) um primeiro indutor (124) acopla eletricamente o primeiro terminal (112) da chave (111) à tensão de entrada (vin) . um segundo indutor (126) magneticamente acoplado ao primeiro indutor (124) acopla eletricamente o primeiro terminal (118) do retificador (117) à referência de tensão (128) uma controladora de chave (110) acoplada à tensão de saida (vout) e configurada para controlar a chave (111)

Description

(54) Título: CONVERSOR ABAIXADOR DE TENSÃO, EQUIPAMENTO DE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL E FLUXÍMETRO DE CORIOLIS (51) Int.CI.: H02M 3/155 (73) Titular(es): MICRO MOTION, INC.

(72) Inventor(es): STIG LINDEMANN; WILLIAM M. MANSFIELD “CONVERSOR ABAIXADOR DE TENSÃO, EQUIPAMENTO DE INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL E FLUXÍMETRO DE CORIOLIS”

CAMPO DA INVENÇÃO

Os aspectos da presente invenção referem-se, de modo geral, a conversores de tensão elétrica, e, mais particularmente, a conversores abaixadores de tensão elétrica que produzem uma tensão de corrente direta (DC) a partir de uma tensão de corrente alternada (AC) ou de uma tensão de corrente DC.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

Vários equipamentos de força elétrica dentro de um ambiente industrial freqüentemente dependem de qualquer dentre uma variedade de tensões de corrente AC e/ou DC para força. Mais especificamente, os sistemas orientados por corrente DC tendem a utilizar tensões de corrente DC relativamente baixas, tipicamente da faixa de 12 a 50 volts DC (VDC). Os sistemas orientados por corrente AC, no entanto, com freqüência empregam tensões de corrente AC mais altas, às vezes variando entre 100 e 250 volts de raiz quadrática média (VRMS). Outras tensões de corrente AC ou DC fora destas faixas podem ser igualmente empregadas. No entanto, a instrumentação industrial, como, por exemplo, um fluxímetro Coriolis para a medição do fluxo de massa ou outras informações relativas a um material que escoa através de um conduto, com freqüência, emprega componentes elétricos que requerem uma tensão de corrente DC baixa, por exemplo, de 1,2 a 24 VDC, como uma fonte de força elétrica, e, deste modo, não é capaz de suportar uma faixa alta de tensões de de 13/03/2017, pág. 11/35 entrada de corrente AC ou DC. Assim sendo, um conversor do tipo step-down capaz de produzir uma tensão de saída de corrente DC baixa substancialmente fixa a partir de uma tensão de entrada de corrente AC ou DC é com freqüência usada com grande vantagem em tal ambiente.

Um diagrama esquemático simplificado de um tipo particular de conversor ou regulador abaixador ou buck 1 atualmente em uso na conversão de uma tensão de entrada de corrente DC positiva VENTRADA em uma tensão de saída de corrente DC VSAÍDA é provido na Figura 1. A tensão de entrada VENTRADA é declarada através de um capacitor de entrada CA acoplado a uma referência de terra, e é acoplada ao terminal de dreno de uma chave Q de transistor de efeito de campo de força de canais n (FET). O capacitor de entrada CA atua como um filtro a fim de ajudar a manter o nível de tensão observado pelo dreno da chave Q na presença de mudanças na tensão de entrada VENTRADA por meio da provisão de uma corrente adicional temporária ao dreno da chave Q. Uma funcionalidade similar para a tensão de saída VSAÍDA é provida por um capacitor de saída CB.

A porta da chave Q é acionada por uma controladora de chave 2, que liga ou desliga a chave Q dependendo do nível de tensão da tensão de saída VSAÍDA comparado ao nível VSAÍDA de tensão de saída desejado ou alvo. Outra quantidade mensurável na saída, como, por exemplo, a corrente, pode ser empregada pela controladora de chave 2 de maneira alternativa ou adicionalmente. Ao ligar e desligar a chave Q de uma forma substancialmente periódica, a controladora de de 13/03/2017, pág. 12/35 chave 2 é normalmente cabas de manter a tensão de saída

Vsaída a um nível desejado na presença de mudanças tanto no nível da tensão de entrada Ventrada como na carga acionada pela tensão de saída Vsaída. De modo geral, o período de comutação é a soma do tempo LIGADO e do tempo DESLIGADO da chave Q durante um ciclo de operação. Por conseguinte, o ciclo de serviço da chave Q é a razão do período LIGADO para o período. Sendo assim, por meio de qualquer número de técnicas, a controladora de chave 2 controla o ciclo de serviço e o período da chave Q a fim de manter a tensão de saída Vsaída a um nível satisfatório.

Durante a operação do conversor 1, quando a chave Q está ligada, a corrente elétrica flui da tensão de entrada Ventrada através dos terminais de dreno e fonte da chave Q e através de um indutor L para a tensão de saída Vsaída. Como um resultado da corrente elétrica que flui através do indutor L, a energia elétrica é armazenada no indutor L. Tipicamente, o tempo ligado da chave Q, conforme definido pela controladora de chave 2, é limitado pelos valores componentes do indutor L e do capacitor de saída CB de tal modo que a tensão Vl através do indutor fique quase constante durante o tempo ligado. Sob estas condições, o terminal do indutor L conectado ao terminal de fonte da chave Q permanece próximo à tensão de entrada Ventrada enquanto a chave Q está ligada, e o terminal restante do indutor L fica no nível de tensão Vsaída de saída. Como um resultado, a tensão no catodo 3 de um diodo D acoplado ao terminal de fonte da chave Q faz com que o diodo D se de 13/03/2017, pág. 13/35 polarize em reverso e, portanto, não condutor, quando a chave Q está ligada, uma vez que o anodo 4 do diodo D é conectado à terra.

Quando a chave Q e então desligada, a tensão VL através do indutor L inverte a polaridade a fim de manter a continuidade da corrente elétrica através do indutor L. Este “retorno de tensão faz com que a tensão no catodo 3 do diodo D caia à terra, deste modo polarizando direto o diodo D para condução. Sendo assim, a energia elétrica armazenada no indutor L enquanto a chave Q está ligada é transferida como corrente através do diodo D e do indutor L para a tensão de saída Vsaída. Em algum ponto determinado pela controladora de chave 2, a chave Q é novamente ligada, e o ciclo acima se repete. A corrente assim flui para a saída de tensão Vsaída quando a chave Q é ligada ou desligada.

Uma falha potencial do conversor do tipo step-down 1 da Figura 1 é a grande oscilação de tensão exigida da controladora de chave 2 no sentido de acionar a porta da chave Q para ligar ou desligar a chave Q. Em termos mais específicos, para ligar a chave Q e manter este estado, a controladora de chave 2 deve acionar a porta para um nível de tensão maior que a tensão de entrada Ventrada, uma vez que a tensão de porta deve estar acima da tensão da fonte, próxima da tensão de entrada Ventrada durante o estado ligado. Para desligar a chave Q, a tensão de porta deve estar próxima da terra, uma vez que a fonte é acionada ligeiramente abaixo da terra devido ao diodo D polarizado para frente naquele momento devido ao flyback do indutor L.

de 13/03/2017, pág. 14/35

Quando a tensão de entrada Ventrada é uma tensão de corrente

DC relativamente baixa, a geração da tensão de porta apropriada para a chave Q para ser ligada pode ser obtida por meio de um circuito boost de tensão prontamente disponível. No entanto, quando a tensão de entrada Ventrada é uma grande tensão de corrente AC da ordem de 265 VRMS, que translada para um nível de tensão de corrente DC máximo de cerca de 375 VDC, um controle adequado e preciso da tensão de porta ao mesmo tempo provendo oscilações de tensão extremamente grandes na porta de centenas de volts tipicamente requer um desenho de circuito relativamente complexo para a controladora de chave 2 envolvendo componentes elétricos especiais.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De modo geral, modalidades da presente invenção provêm um conversor abaixador de tensão para a geração de uma tensão de saída a partir de uma tensão de entrada. O conversor inclui uma chave tendo um primeiro e segundo terminais, em que o segundo terminal é eletricamente acoplado à tensão de saída. Um retificador possui um primeiro e segundo terminais, em que o segundo terminal é eletricamente acoplado à tensão de saída. Um primeiro indutor se acopla eletricamente ao primeiro terminal da chave com a tensão de entrada. Um segundo indutor magneticamente acoplado ao primeiro indutor se acopla eletricamente ao primeiro terminal do retificador com uma referência de tensão. Ainda, uma controladora de chave de 13/03/2017, pág. 15/35 acoplada à tensão de saída é configurada para controlar a chave.

Modalidades adicionais e vantagens da presente invenção serão realizadas pelos versados na técnica após uma leitura cuidadosa da descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos em anexo.

ASPECTOS

Um aspecto da presente invenção inclui um conversor abaixador de tensão para a geração de uma tensão de saída a partir de uma tensão de entrada, compreendendo:

- uma chave compreendendo um primeiro terminal e um segundo terminal, em que o segundo terminal da chave é eletricamente acoplado à tensão de saída;

- um retificador compreendendo um primeiro terminal e um segundo terminal, em que o segundo terminal do retificador é eletricamente acoplado à tensão de saída;

- um primeiro indutor eletricamente acoplado ao primeiro terminal da chave com a tensão de entrada;

- um segundo indutor magneticamente acoplado ao primeiro indutor, o segundo indutor acoplando eletricamente o primeiro terminal do retificador com uma referência de tensão; e

- uma controladora de chave acoplada à tensão de saída e configurada para controlar a chave.

De preferência, o primeiro indutor e o segundo indutor compreendem uma indutância de 1,7 milihenries.

De preferência, o conversor abaixador de tensão compreende ainda:

de 13/03/2017, pág. 16/35

- um primeiro capacitor que acopla eletricamente a tensão de entrada à referência de tensão; e

- um segundo capacitor que acopla eletricamente a tensão de saída à referência de tensão.

De preferência, o primeiro capacitor compreende uma capacitância de 22 microfarads.

De preferência, o segundo capacitor compreende uma capacitância de 120 microfarads.

De preferência, a referência de tensão é a terra.

De preferência, o número de voltas do primeiro indutor e o número de voltas do segundo indutor compreendem uma razão de 1:1.

De preferência, o primeiro indutor compreende um primeiro rolamento de um transformador, em que o segundo indutor compreende um segundo rolamento do transformador, e em que o primeiro indutor e o segundo indutor são enrolados sobre um núcleo.

De preferência, o núcleo é um núcleo de ferrita.

De preferência, a tensão de entrada e a tensão de saída são tensões de corrente direta positivas;

- a chave compreende um transistor de efeito de campo de canais n, o primeiro terminal da chave compreende um terminal de dreno do transistor FET, o segundo terminal da chave compreende um terminal de fonte do transistor FET, e a controladora de chave controla o transistor FET por meio de um terminal de porta do transistor FET; e

- o retificador compreende um diodo, o primeiro terminal do retificador compreende um anodo do diodo, e o de 13/03/2017, pág. 17/35

segundo	terminal do	retificador compreende	um	catodo	do
diodo.
	De preferência, a tensão de entrada	e a	tensão	de
saída são tensões de	corrente DC negativas;
	- a chave	compreende um transistor	de	efeito	de
campo de	canais p, o	primeiro terminal da chave	compreende

um terminal de dreno do transistor FET, o segundo terminal da chave compreende um terminal de fonte do transistor FET, e a controladora de chave controla o transistor FET por meio de um terminal de porta do transistor FET; e

- o retificador compreende um diodo, o primeiro

terminal	do	retificador compreende um catodo	do	diodo, e	o
segundo	terminal do retificador compreende	um	anodo	do
diodo.
	De	preferência, a controladora	de	chave	é
configurada	para controlar a chave ligando e	desligando	a
chave em	uma	base substancialmente periódica.
	De	preferência, a controladora	de	chave	é
configurada	para controlar a chave baseado	na	tensão	de
saída.
	De	preferência, a controladora	de	chave	é

configurada para controlar a chave baseada em uma corrente na tensão de saída.

De preferência, a tensão de entrada é uma tensão de entrada de corrente alternada; e

- o conversor abaixador de tensão compreende ainda um circuito de retificação de corrente AC que acopla a tensão de entrada de corrente AC ao primeiro indutor.

de 13/03/2017, pág. 18/35

	De	preferência,	o	circuito	de retificação	de
corrente	AC é	configurado	para	converter	a tensão de entrada
de corrente	AC em uma	primeira tensão de corrente	DC
positiva;	e
	- a	tensão de	saída é uma	tensão de saída	de
corrente	DC	positiva tendo	uma magnitude menor que	a
primeira	tensão de corrente DC	positiva.
	De	preferência,	o	circuito	de retificação	de
corrente	AC é	configurado	para	converter	a tensão de entrada

de corrente AC em uma primeira tensão de corrente DC negativa; e

- a tensão de saída é uma tensão de saída de corrente DC negativa tendo uma magnitude menor que a tensão de corrente DC negativa.

De preferência, um item de instrumentação industrial compreende o conversor abaixador de tensão.

De preferência, um fluxímetro Coriolis compreende o conversor abaixador de tensão.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é um diagrama em blocos de um conversor abaixador de tensão de acordo com a técnica anterior.

A Figura 2 é um diagrama em blocos de um conversor do tipo step-down de acordo com uma modalidade da presente invenção.

A Figura 3 é um diagrama esquemático de um conversor do tipo step-down de acordo com uma modalidade da presente invenção para gerar uma tensão de saída de corrente de 13/03/2017, pág. 19/35

DC positiva a partir de uma tensão de entrada de corrente DC positiva.

A Figura 4 é um diagrama de regulagem da corrente através de um primeiro indutor e um segundo indutor, a tensão no dreno de uma chave, e a tensão no anodo de um diodo, conforme implementado em uma modalidade particular da conversor abaixador de tensão da Figura 3.

A Figura 5 é um diagrama esquemático de um conversor do tipo step-down de acordo com uma modalidade da presente invenção para gerar uma tensão de saída de corrente DC negativa a partir de uma tensão de entrada de corrente DC negativa.

A	Figura	6 é um	diagrama em	blocos	do	conversor	do
tipo step-down da	Figura	2 empregando	ainda	um	circuito	de
retificação	de corrente	AC para uma	tensão	de	entrada	de

corrente AC.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A Figura 2 é um diagrama em blocos simplificado de um conversor abaixador de tensão 100 para a geração de uma tensão de saída VSAÍDA a partir de uma tensão de entrada VENTRADA de acordo com uma modalidade da presente invenção. De modo geral, o conversor 100 inclui uma chave 111 tendo um primeiro terminal 112 e um segundo terminal 114, em que o segundo terminal 114 é acoplado à tensão de saída VSAÍDA. O primeiro terminal 112 da chave 111 é eletricamente acoplado à tensão de entrada VENTRADA por meio de um primeiro indutor 124. A chave 111 é controlada por meio de uma controladora de chave 110 acoplada à tensão de saída VSAÍDA. Além disso, de 13/03/2017, pág. 20/35 um segundo indutor 126 magneticamente acoplado ao primeiro indutor 124 se acopla eletricamente a um primeiro terminal 118 de um retificador 117 com uma referência de tensão 128, enquanto um segundo terminal 120 do retificador 117 é eletricamente acoplado à tensão de saída VSAÍDA.

A Figura 3 é um diagrama esquemático simplificado de um exemplo específico do conversor abaixador de tensão 100: um conversor de tensão 200 para a geração de uma tensão de saída de corrente DC positiva VSAÍDA a partir de uma tensão de entrada de corrente DC positiva de acordo com uma modalidade da presente invenção. O conversor 200 inclui uma chave Q1 tendo um primeiro terminal 212 e um segundo terminal 214, em que o segundo terminal 214 é acoplado à tensão de saída Vsaída. O primeiro terminal 212 da chave Q1 é eletricamente acoplado à tensão de entrada VENTRADA por meio de um primeiro indutor L1. A chave Q1 é controlada por meio de uma controladora de chave 210 acoplada à tensão de saída Vsaída. Além disso, um segundo indutor L2 magneticamente acoplado ao primeiro indutor L1 se acopla eletricamente a um anodo 218 de um retificador ou diodo D1 com uma referência de tensão, enquanto um catodo 220 do diodo D1 é eletricamente acoplado à tensão de saída Vsaída.

Em termos mais específicos, com relação ao exemplar em particular do conversor 200 da Figura 3, a chave Q1 pode ser um transistor FET, como, por exemplo, um transistor FET de força de canal n, tendo um terminal de dreno 212, um terminal de fonte 214, e um terminal de porta

216. Conforme é descrito em mais detalhes abaixo, a de 13/03/2017, pág. 21/35 controladora de chave 210 controla a chave Qi do transistor

FET ao ligar e desligar a chave Q1 do transistor FET por meio da porta 216. Em uma modalidade, a controladora de chave 10 liga e desliga a chave Q1 de transistor FET em uma base substancialmente periódica, baseado pelo menos em parte no nível de tensão da tensão de saída VSAÍDA. Em outras modalidades, a controladora de chave 210 pode empregar uma outra característica da saída, tal como uma corrente, a fim de controlar a chave Q1 de transistor FET. Em um outro exemplo, uma combinação de características de saída, tais como tensão e corrente, pode ser empregada para controlar a chave Q1. Em modalidades alternativas, outros tipos de componentes eletrônicos, tais como os transistores de junção bipolares (BJT), podem ser empregados no lugar da chave Q1 de transistor FET para um fim similar.

Na modalidade em particular da Figura 3, um primeiro capacitor C1 se acopla eletricamente à tensão de entrada Ventrada à referência de tensão, enquanto a tensão de saída VSAÍDA é eletricamente acoplada à referência por meio de um segundo capacitor C2. Em uma modalidade, a referência de tensão é a terra, ou 0 V. O primeiro capacitor C1 e o segundo capacitor C2 são empregados como capacitores de filtro a fim de ajudar a suprir necessidades de corrente elétrica de curto prazo a fim de suportar o nível de tensão de ambas a tensão de entrada Ventrada e a tensão de saída

Vsaída, assim como remover o ruído de alta freqüência. Em uma implementação em particular, o primeiro capacitor C1 tem uma de 13/03/2017, pág. 22/35 capacitância de 22 microfarads (pF), enquanto o segundo capacitor C2 tem uma capacitância de 120 pF.

Em uma modalidade, o primeiro indutor L1 e o segundo indutor L2 formam um primeiro e segundo rolamentos de um transformador que compartilha um único núcleo 222, como, por exemplo, um núcleo de ferrita, sobre o qual ambos os indutores L1, L2 são enrolados. Os núcleos compreendidos de outros materiais podem ser implementados em outras modalidades da presente invenção. ainda, em uma implementação, o número de voltas do primeiro indutor L1 e o número de voltas do segundo indutor L2 sobre o núcleo formam uma razão de 1:1. Outras razões podem ser possíveis em modalidades alternativas, embora uma razão de 1:1 seja presumida na apresentação a seguir da operação do conversor 200. Em um exemplo, os indutores L1, L2 possuem, cada qual, uma indutância de 1,7 milihenries (mH).

A operação do conversor 200 depende do estado da chave ou da chave Q1 do transistor FET. A controladora de chave 210 liga a chave Q1 do transistor FET ao subir a tensão da porta 216 suficientemente acima da tensão na fonte 214, que é a tensão de saída Vsaída, para ligar a chave Q1. Quando a chave Q1 do transistor FET é ligada, a tensão Vd no dreno 212 da chave Q1 do transistor FET é aproximadamente igual à tensão de saída Vsaída, e uma corrente elétrica flui a partir da tensão de entrada Ventrada, através do primeiro indutor L1, do dreno 212 e da fonte 214 da chave Q1 do transistor FET, para a tensão de saída Vsaída. Como um resultado, a energia elétrica é armazenada no primeiro de 13/03/2017, pág. 23/35 indutor Li, tipicamente dentro do núcleo 222 sobre o qual o primeiro indutor L1 é enrolado. Ainda, devido ao acoplamento magnético 1:1 do primeiro indutor L1 do segundo indutor L2, a tensão VL1 através do primeiro indutor L1 é igual à tensão VL2 através do segundo indutor L2. Sendo assim, uma vez que a tensão através do primeiro indutor L1 é essencialmente a tensão de entrada Ventrada menos a tensão de saída Vsaída, a tensão Va no anodo 218 do diodo D1 torna-se -(Ventrada Vsaída) . Sendo assim, com o catodo 220 acoplado à tensão de saída Vsaída, a tensão Va do anodo 218 é menor que no catodo 220, fazendo com que o diodo D1 se polarize inversamente e, portanto, se torne não condutivo. Portanto, não flui essencialmente nenhuma corrente através do segundo indutor L2, enquanto a chave Q1 está ligada, e energia elétrica é armazenada no núcleo 222 enquanto a corrente flui através do primeiro indutor L1.

Quando a controladora de chave 210 desliga a chave Q1, a tensão VL1 através do primeiro indutor L1 se torna negativa em uma tentativa de manter o seu nível de corrente elétrica anterior, acionando, assim, o dreno 212 da chave Q1 acima da tensão de entrada Ventrada. Devido ao acoplamento magnético entre os dois indutores L1, L2, a tensão VL2 através do segundo indutor L2 corresponde à tensão VL1 através do primeiro indutor L1. Como um resultado, a tensão VL2 através do primeiro indutor L2 se aproxima da tensão de saída negativa -Vsaída, em cujo momento o diodo D1 se torna polarizado para frente e condutivo. Ignorando uma queda de tensão tipicamente pequena através do diodo D1, a tensão VL1 de 13/03/2017, pág. 24/35 através do primeiro condutor Li, deste modo, também se limita à tensão -Vsaída, prendendo a tensão Vd no dreno 212 da chave Q1 na soma da tensão de entrada VENTRADA e da tensão de saída Vsaída (isto é, Ventrada + Vsaída) . Como um resultado deste grampo, a energia previamente armazenada no núcleo 222 dos indutores L1, L2 é liberada na forma de corrente através do segundo indutor L2 e do diodo D1 para a tensão de saída Vsaída. Depois de um período de tempo, a controladora de chave 210 mais uma vez liga a chave Q1, e o processo se repete. Quer a chave esteja ligada ou desligada, a corrente flui a partir do conversor 200 para a tensão de saída Vsaída.

A Figura 4 ilustra, à guisa de um diagrama de regulagem simplificado, as formas de onda de uma corrente elétrica IL1 através do primeiro indutor L1 e uma corrente IL2 através do segundo indutor L2 de acordo com uma modalidade particular da presente invenção. Ainda, a tensão

Vd no dreno 212 da chave Q1 e a tensão Va no anodo 218 do diodo D1 durante o mesmo período de tempo são igualmente ilustrados. Neste exemplo, a tensão de entrada Ventrada é de 50 Vdc, a tensão de saída Vsaída é de 12 VDC, e a carga (não mostrada) acionada pela tensão de saída Vsaída é de 40 ohms (Ω) . Ainda no exemplo específico, o primeiro capacitor C1 tem uma capacitância de 22 pF, o segundo capacitor C2 é de 120 pF, e os indutores L1, L2 exibem, cada qual, uma indutância de 1,7 mH. Além disso, a chave Q1 é um transistor FET de força de canal n, número de peça STD5NM50, e o diodo

D1 é um MURS160.

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O diagrama de regulagem da Figura 4 ilustra a natureza tipicamente periódica na qual o conversor 200 opera. Por um tempo tLIGA durante o qual a chave Q1 está ligada, a corrente IL1 através do primeiro indutor L1 aumenta em um sentido essencialmente linear a partir de um nível I1 para um nível mais alto I2. Durante este mesmo período de tempo, o diodo D1 é polarizado invertido e, deste modo, essencialmente nenhuma corrente flui através do segundo indutor L2. ainda, a tensão VD no dreno 212 da chave Q1 permanece aproximadamente na tensão VSAÍDA, uma vez que a chave Q1 está ligada, e a tensão Va no anodo 218 do diodo D1 é -(Ventrada - Vsaída), conforme descrito acima. Em outras palavras, as tensões VL1, VL2 através dos indutores L1, L2 são iguais a Ventrada - Vsaída, com o desvio da tensão de dreno Vd maior que a tensão de anodo Va pelo valor da tensão de saída

Ventrada.

Esta igualdade das tensões Vl1, Vl2 através dos indutores L1, L2, e o desvio relativo de Ventrada entre a tensão de dreno Vd e a tensão de anodo Va se mantêm verdadeiros quando a chave Q1 está desligada. Durante o tempo desligada tDESLIGA da chave Q1, com o diodo D1 conduzindo, a tensão de anodo Va fica presa na tensão de saída Vsaída. Com o desvio da tensão de dreno Vd maior que a tensão de anodo Va pela tensão de entrada Ventrada, a tensão de dreno Vd fica presa em (Ventrada + Vsaída) , conforme descrito acima. Ainda, uma vez que a chave Q1 está desligada, a corrente no primeiro indutor L1 torna-se essencialmente zero, enquanto a corrente no segundo indutor L2 abaixa de 13/03/2017, pág. 26/35 substancialmente linear de I2 para Ii devido à tensão constante -Vsaída através do segundo indutor L2.

Na modalidade particular ilustrada na Figura 4, o nível de corrente superior I2 é de aproximadamente 350 miliamps (mA), enquanto o nível de corrente inferior I1 é de cerca de 250 mA. Uma vez que a corrente IL1 através do indutor L1 e a corrente IL2 através do indutor L2 são providas na tensão de saída VSAÍDA, a corrente média liberada para a carga 40-Ω é (12 VDC) / (40 Ω) = 300 mA. A controladora de chave 210 ajusta tLIGA e tDESLIGA baseado nos valores componentes dos indutores L1, L2, a tolerância da carga sendo dirigida para as variações da tensão de saída VSAÍDA, e em outros fatores. No caso da Figura 4, tLIGA é de cerca de 5 microssegundos (pS), enquanto tDESLiGA é de cerca de 15 pS. Uma vez que a tensão através de um indutor L é igual a L(di/dt), uma tensão constante VL1 através do primeiro indutor L1 durante tLiGA de Ventrada-Vsaída = (50 VDC) (12 VDC) = 38 VDC é aproximadamente três vezes a magnitude da tensão Vl2 através do segundo indutor L2 durante tDESLiGA de

-Vsaída = -12V, deste modo considerando tDESLiGA sendo aproximadamente três vezes tão longo quanto tLIGA neste caso em particular. Evidentemente, com uma combinação diferente de tensão de entrada Ventrada e tensão de saída Vsaída, uma razão diferente de tLIGA para tDESLIGA provavelmente seria implementada pela controladora de chave 210.

Tendo em vista as diversas modalidades do conversor 200 aqui apresentadas, uma ampla faixa de tensões de corrente DC positiva pode ser empregada como a tensão de de 13/03/2017, pág. 27/35 entrada Ventrada a fim de produzir uma tensão de saída Vsaída de corrente DC de uma magnitude inferior. Conforme mencionado acima, os vários componentes empregados, tais como os indutores L1, L2, os capacitores C1, C2, o diodo D1, a chave Q1, e a controladora de chave 210, determinam em parte os limites das tensões de entrada e saída Ventrada, Vsaída permitidas para uma modalidade particular da presente invenção.

Uma vantagem distinta das várias modalidades do conversor 200 descrito acima é a chave de tensão limitada da porta 216 da chave Q1 requerida para ligar e desligar a chave Q1. Uma vez que a fonte 214 da chave Q1 é acoplada diretamente na tensão de saída Vsaída, a tensão da porta 216 é solicitada a se movimentar somente entre a tensão de saída

Vsaída e alguns volts mais para operar a chave Q1. Sendo assim, a porta 216 da chave Q1 pode ser acionada pelos componentes eletrônicos prontamente disponíveis, padrão, deste modo simplificando o desenho da controladora de chave 210. Uma ou mais destas vantagens, ou outras, podem ainda ser realizadas em outras aplicações, incorporando uma ou mais modalidades da presente invenção.

Vantagens similares podem também ser realizadas por um outro conversor de tensão 300 de acordo com uma outra modalidade da presente invenção. Mostrado na Figura 5, o conversor 300, que opera de uma maneira análoga à do conversor 200 descrito acima, é configurado para converter uma tensão de entrada Ventrada de corrente DC negativa em uma tensão de saída Vsaída de corrente DC de menor magnitude.

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Embora a maior parte dos componentes do conversor 200 e do conversor 300, tais como os indutores Li, L2, o núcleo 222, e os capacitores Ci, C2 são iguais, poucas modificações são utilizadas para processar a tensão de entrada Ventrada de corrente DC negativa. No lugar da chave Qi do conversor 200 encontra-se uma chave Q2, que é um transistor FET de força de canal p no exemplo particular da Figura 5. A chave Q2 inclui um terminal de dreno 312 acoplado ao primeiro indutor Li, um terminal de fonte 314 acoplado à tensão de saída Vsaída, e um terminal de porta 316. Uma controladora de chave 310, que opera de uma maneira similar à controladora de chave 210 do conversor 200, controla a operação da chave Q2 via a porta 316. A controladora de chave 310 só precisa movimentar a tensão da porta 316 entre a tensão de saída Vsaída e alguns volts menos para operar a chave Q2, simplificando, assim, o desenho da controladora de chave 310 em comparação a alguns conversores da técnica anterior.

O conversor 300 da Figura 5 inclui ainda um diodo D2 tendo um primeiro terminal 318 e um segundo terminal 320. Devido à polaridade negativa das tensões de entrada e saída Ventrada, Vsaída, o primeiro terminal 318 é o catodo, enquanto o segundo terminal 320 é o anodo, oposto à orientação do diodo D1 do conversor 200. A operação do conversor 300 é análoga à descrita acima com relação ao conversor 200 da Figura 3, com a polaridade de todas as tensões e correntes essencialmente invertidas.

Uma outra modalidade de um conversor de tensão 400 de acordo com uma modalidade da presente invenção para a de 13/03/2017, pág. 29/35 conversão de uma tensão de entrada Ventrada de corrente AC em uma tensão de saída Vsaída de corrente DC é apresentada na Figura 6. Além dos componentes descritos acima com relação ao conversor 100 da Figura 2, um circuito de retificação de corrente AC 430 para a conversão da tensão de entrada Ventrada de corrente AC em uma tensão de corrente DC utilizável pelo restante do conversor de tensão 400 é utilizado para gerar a desejada tensão de saída Vsaída de corrente DC. Em uma modalidade na qual uma tensão de saída Vsaída de corrente DC positiva é requerida, o circuito de retificação de corrente AC 430 pode ser configurado para converter a tensão de tensão de entrada Ventrada de corrente AC em uma tensão de corrente DC positiva, a qual então pode ser convertida em uma tensão de saída Vsaída de corrente DC de uma magnitude menor por meio do conversor 200 da Figura 3. Em uma outra modalidade, quando uma tensão de saída Vsaída de corrente DC negativa é necessária, o circuito de retificação de corrente AC 430 pode ser configurado para converter a tensão de entrada Ventrada de corrente AC em uma primeira tensão de corrente DC negativa, que, em uma implementação, é em seguida convertida em uma tensão de saída Vsaída de corrente DC de menor magnitude via o conversor 300 da Figura 5.

Embora tenham sido apresentadas diversas modalidades no presente documento, outras modalidades abrangidas pelo âmbito da presente invenção são possíveis. Por exemplo, níveis de tensão diferentes de correntes AC e DC podem ser envolvidas em modalidades alternativas, deste modo possivelmente indicando o uso de valores componentes de 13/03/2017, pág. 30/35 diferentes que os especificamente aqui apresentados. Ainda, as referências a polaridades positiva e negativa são providas tão-somente para fins de referência, e outras modalidades da presente invenção podem usar um esquema diferente de referência de tensão. Além disso, os componentes eletricamente acoplados podem não necessariamente ser diretamente interligados nas modalidades alternativas. Da mesma forma, os aspectos de uma modalidade podem ser combinados com os de modalidades alternativas de modo a criar outras implementações da presente invenção. Sendo assim, embora a presente invenção tenha sido descrita no contexto de modalidades específicas, tais descrições são providas para fins de ilustração e não limitação. Por conseguinte, o âmbito apropriado da presente invenção é delimitado apenas pelas reivindicações a seguir.

Petição 870170016366, de 13/03/2017, pág. 31/35

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Conversor abaixador de tensão (100) para a geração de uma tensão de saída (Vsaída) de corrente contínua (DC) a partir de uma tensão de entrada (VENTRADA) de corrente contínua (DC), CARACTERIZADO pelo fato de compreender:

uma chave (111) de transistor de efeito de campo (FET) (Q1) tendo um terminal de dreno (112) e um terminal de fonte (114), em que o terminal de fonte (114) da chave (111) é eletricamente acoplado à tensão de saída (VSAÍDA);

um diodo (117) compreendendo um anodo (118) e um catodo (120), em que o catodo (120) do diodo (117) é eletricamente acoplado à tensão de saída (VSAÍDA);

um primeiro indutor (124) que acopla eletricamente o terminal de dreno (112) da chave (111) com a tensão de entrada (Ventrada) ;

um segundo indutor (126) magneticamente acoplado ao primeiro indutor (124), o segundo indutor (126) acoplando eletricamente o anodo (118) do diodo (117) com uma referência de tensão (128); e uma controladora de chave (110) acoplada à tensão de saída (VSAÍDA) e configurada para controlar a chave (111) por meio de um terminal de porta (216) do FET (Q1).
2. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro indutor (124) e o segundo indutor (126) compreendem, cada qual, uma indutância de 1,7 milihenries.

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3. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de adicionalmente compreender:

um primeiro capacitor (C1) que acopla eletricamente a tensão de entrada (VENTRADA) à referência de tensão (128); e um segundo capacitor (C2) que acopla eletricamente a tensão de saída à referência de tensão.
4. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro capacitor (C1) compreende uma capacitância de 22 PF.
5. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo capacitor (C2) compreende uma capacitância de 120

PF.
6. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a referência de tensão (128) é a terra.
7. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o número de voltas do primeiro indutor (124) e o número de voltas do segundo indutor (126) compreendem uma razão de 1:1.
8. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o primeiro indutor (124) compreende um primeiro rolamento de um transformador, em que o segundo indutor (126) compreende de 13/03/2017, pág. 33/35 um segundo rolamento do transformador, e em que o primeiro indutor (124) e o segundo indutor (126) são enrolados sobre um núcleo (222).
9. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que o núcleo é um núcleo de ferro.
10. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que:

a tensão de entrada (VENTRADA) e a tensão de saída (Vsaída) são tensões DC negativas;

a chave (111) compreende um transistor de efeito de campo (FET) de canais p (Q2).
11. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a controladora de chave (110) é configurada para controlar a chave (111) ligando e desligando a chave (111) substancialmente periodicamente.
12. Conversor abaixador de tensão (100), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a controladora de chave (110) é configurada para controlar a chave (111) baseada na tensão de saída (VSAÍDA).
13. Equipamento de instrumentação industrial, CARACTERIZADO pelo fato de compreender o conversor abaixador de tensão (100) do tipo definido na reivindicação 1.
14. Fluxímetro Coriolis, CARACTERIZADO pelo fato de compreender o conversor abaixador de tensão (100) do tipo definido na reivindicação 1.

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CONTROLADORA DE CHAVE 2

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