- Conceitos básicos do circuito conversor de reforço
- PWM e ciclo de trabalho para circuito conversor de reforço
- Melhore a eficiência do circuito conversor de reforço
- Projeto de exemplo para conversor de reforço
Na eletrônica, um regulador é um dispositivo ou mecanismo que pode regular a saída de potência constantemente. Existem diferentes tipos de reguladores disponíveis no domínio da fonte de alimentação. Mas principalmente, no caso de conversão DC para DC, existem dois tipos de reguladores disponíveis: Linear ou Comutação.
Um regulador linear regula a saída usando uma queda de tensão resistiva e, devido a isso, os reguladores lineares proporcionam menor eficiência e perdem energia na forma de calor.
Por outro lado, o regulador de chaveamento usa indutor, diodo e uma chave liga / desliga para transferir energia de sua fonte para a saída.
Existem três tipos de reguladores de comutação disponíveis.
1. Conversor de aumento (Boost Regulator)
2. Conversor abaixador (regulador Buck)
3. Inversor (Flyback)
Neste tutorial, descrevemos o circuito Regulador de Boost de Chaveamento. Já descrevemos o projeto do regulador de impulso no tutorial anterior. Aqui, discutiremos diferentes aspectos do conversor Boost e como melhorar sua eficiência.
Conceitos básicos do circuito conversor de reforço
Em muitos casos, precisamos converter a tensão mais baixa em tensão mais alta, dependendo dos requisitos. O regulador de reforço aumenta a tensão de potencial inferior para potencial superior.
Na imagem acima, um circuito regulador Boost simples é mostrado onde um indutor, diodo, capacitor e uma chave são usados.
O objetivo do indutor é limitar a taxa de variação da corrente que flui através do interruptor de alimentação. Isso limitará o excesso de corrente de pico alto que é inevitável pela resistência da chave individualmente.
Além disso, o indutor armazena energia, a energia medida em Joules E = (? L * I 2 /2)
Vamos entender como os indutores transferem energia nas próximas imagens e gráficos.
No caso de comutação dos reguladores de reforço, existem duas fases, uma é a fase de carga do indutor ou a fase de ativação (a chave está fechada na verdade) e a outra é a fase de descarga ou a fase de desligamento (a chave está aberta).
Se assumirmos que a chave está na posição aberta há muito tempo, a queda de tensão no diodo é negativa e a tensão no capacitor é igual à tensão de entrada. Nessa situação, se a chave se aproximar, o Vin se assusta pelo indutor. O diodo impede a descarga do capacitor através da chave para o solo.
A corrente através do indutor aumenta linearmente com o tempo. A taxa de aumento da corrente linear é proporcional à tensão de entrada dividida pela indutância di / dt = Tensão no Indutor / Indutância
No gráfico superior, mostrando a fase de carregamento do indutor. O eixo x denota t (tempo) e o eixo Y denota I (corrente através do indutor). A corrente está aumentando linearmente com o tempo quando a chave está fechada ou LIGADA.
Agora, quando a chave é novamente desligada ou aberta, a corrente do indutor flui através do diodo e carrega o capacitor de saída. Quando a tensão de saída aumenta, a inclinação da corrente através do indutor é invertida. A tensão de saída aumenta até que a tensão através do indutor = L * (di / dt) seja alcançada.
A taxa de queda de corrente do indutor com o tempo é diretamente proporcional à tensão do indutor. Quanto maior a tensão do indutor, mais rápida é a queda de corrente através do indutor.
No gráfico acima, a corrente do indutor cai com o tempo quando a chave é desligada.
Quando o regulador de chaveamento está em condição operacional de regime permanente, a tensão média do indutor é zero durante todo o ciclo de chaveamento. Para esta condição, a corrente média através do indutor também está em regime permanente.
Se assumirmos que o tempo de carga do indutor é Ton e o circuito tem uma tensão de entrada, então haverá um Toff específico ou tempo de descarga para uma tensão de saída.
Como a tensão média do indutor é igual a zero em estado estacionário, podemos construir o circuito de reforço usando os seguintes termos
Vin X Ton = Toff x VL VL = Vin x (Ton / Toff)
Como a tensão de saída é igual à tensão de entrada e a tensão média do indutor (Vout = Vin + VL)
Nós podemos dizer que, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
Também podemos calcular o Vout usando o ciclo de trabalho.
Ciclo de trabalho (D) = Ton / (Ton + Toff)
Para o regulador de mudança de impulso, o Vout será Vin / (1 - D)
PWM e ciclo de trabalho para circuito conversor de reforço
Se controlarmos o ciclo de trabalho, podemos controlar a saída de estado estacionário do conversor boost. Portanto, para a variação do ciclo de trabalho, usamos um circuito de controle na chave.
Portanto, para um circuito regulador de boost básico completo, precisamos de um circuito adicional que irá variar o ciclo de trabalho e, portanto, a quantidade de tempo que o indutor recebe energia da fonte.
Na imagem acima, um amplificador de erro pode ser visto que detecta a tensão de saída através da carga usando um caminho de feedback e controla a chave. A técnica de controle mais comum inclui a técnica de PWM ou Modulação por largura de pulso, que é usada para controlar o ciclo de trabalho do circuito.
O circuito de controle controla a quantidade de tempo que a chave permanece aberta ou fechada, dependendo da corrente consumida pela carga. Este circuito também usa para operação contínua no estado estacionário. Ele pegará uma amostra da tensão de saída e subtrairá de uma tensão de referência e criará um pequeno sinal de erro, então este sinal de erro será comparado a um sinal de rampa do oscilador e da saída do comparador um sinal PWM operará ou controlará a chave o circuito.
Quando a tensão de saída muda, a tensão de erro também é afetada por ela. Devido à mudança de tensão de erro, o comparador controla a saída PWM. O PWM também mudou para uma posição quando a tensão de saída cria tensão de erro zero e, ao fazer isso, o sistema de malha de controle fechado executa o trabalho.
Felizmente, a maioria dos reguladores de reforço de comutação modernos tem essa coisa embutida dentro do pacote IC. Assim, o design de circuito simples é obtido usando os reguladores de comutação modernos.
A tensão de realimentação de referência é feita usando uma rede divisora de resistor. Este é o circuito adicional necessário junto com o indutor, diodos e capacitores.
Melhore a eficiência do circuito conversor de reforço
Agora, se investigarmos sobre a eficiência, é quanta energia fornecemos dentro do circuito e quanto obtemos na saída.
(Pout / Pin) * 100%
Como a energia não pode ser criada nem destruída, ela só pode ser convertida, a maioria das energias elétricas perdem potências não utilizadas convertidas em calor. Além disso, não existe uma situação ideal no campo prático, a eficiência é um fator maior para selecionar reguladores de tensão.
Um dos principais fatores de perda de energia para um regulador de chaveamento é o diodo. A queda de tensão direta vezes a corrente (Vf xi) é a potência não utilizada que é convertida em calor e reduz a eficiência do circuito regulador de comutação. Além disso, é o custo adicional do circuito para técnicas de gerenciamento térmico / calor usando um dissipador de calor ou ventiladores para resfriar o circuito do calor dissipado. Não apenas a queda de tensão direta, a recuperação reversa para diodos de silício também produz perda de energia desnecessária e redução da eficiência geral.
Uma das melhores maneiras de evitar um diodo de recuperação padrão é usar diodos Schottky no lugar de diodos que têm uma queda de tensão direta baixa e melhor recuperação reversa. Quando a eficiência máxima é necessária, o diodo pode ser substituído usando MOSFETs. Na tecnologia moderna, há uma abundância de opções disponíveis na seção do regulador de impulso de chaveamento, que fornecem mais de 90% de eficiência facilmente.
Além disso, há um recurso “Skip Mode” que está sendo usado em muitos dispositivos modernos que permite ao regulador pular os ciclos de chaveamento quando não há necessidade de chavear em cargas muito leves. É uma ótima maneira de melhorar a eficiência em condições de carga leve. No modo de salto, o ciclo de comutação é iniciado somente quando a tensão de saída cai abaixo de um limite de regulação.
Apesar de ter maior eficiência, técnica de design estacionário, componente menor, reguladores de chaveamento são barulhentos que um regulador linear. Ainda assim, eles são amplamente populares.
Projeto de exemplo para conversor de reforço
Anteriormente, criamos um circuito regulador de reforço usando MC34063, onde a saída de 5 V é gerada a partir da tensão de entrada de 3,7 V. MC34063 é o regulador de comutação usado na configuração do regulador de reforço. Usamos um indutor, um diodo Schottky e capacitores.
Na imagem acima, Cout é o capacitor de saída e também usamos um indutor e um diodo Schottky que são os componentes básicos de um regulador de chaveamento. Também é usada uma rede de feedback. Os resistores R1 e R2 criam um circuito divisor de tensão que é necessário para o PWM do comparador e o estágio de amplificação de erro. A tensão de referência do comparador é 1,25 V.
Se vermos o projeto em detalhes, podemos ver que 70-75% de eficiência é alcançada por este circuito regulador de boost de comutação MC34063. Eficiência adicional pode ser melhorada usando técnica de PCB adequada e obtendo procedimentos de gerenciamento térmico.