ATENÇÃO: Este experimento foi projetado para limitar a tensão de saída a menos de 50V DC. Use apenas as relações de serviço, frequências, tensão de entrada ou cargas que são dadas aqui.
Este experimento utilizará a placa conversora DC-DC fornecida pela HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
Informações sobre a operação do conselho podem ser encontradas neste vídeo de coleções "Introdução ao Quadro HiRel".
O procedimento aqui mostrado se aplica a qualquer circuito simples de conversor de boost que possa ser construído em placas de proto, placas de pão ou placas de circuito impresso.
1. Configuração do quadro:

Figura 2. Circuito de conversor boost
2. Ajustando a relação de dever e a frequência de comutação
3. Teste do conversor de impulso para entrada variável
4. Teste do conversor de impulso para a relação de dever variável
5. Teste do conversor de impulso para frequência de comutação variável
Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.
Os conversores boost fornecem uma solução versátil para intensificar as tensões DC em muitas aplicações onde uma tensão DC precisa ser aumentada sem a necessidade de convertê-la para AC, usando um transformador e, em seguida, corrigir a saída do transformador. Os conversores boost são conversores intensificadores que usam um indutor como um dispositivo de armazenamento de energia que suporta a saída com energia adicional, além da fonte de entrada DC. Isso faz com que a tensão de saída aumente.
O objetivo deste experimento é estudar diferentes características de um conversor de impulso. A capacidade de intensificação do conversor será observada sob o modo de condução contínua (CCM) onde a corrente do indutor não é zero. A operação de loop aberto com uma relação de serviço definida manualmente será usada. Será observada uma aproximação da relação entrada-saída.
ATENÇÃO: Este experimento foi projetado para limitar a tensão de saída a menos de 50V DC. Use apenas as relações de serviço, frequências, tensão de entrada ou cargas que são dadas aqui.
Este experimento utilizará a placa conversora DC-DC fornecida pela HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
Informações sobre a operação do conselho podem ser encontradas neste vídeo de coleções "Introdução ao Quadro HiRel".
O procedimento aqui mostrado se aplica a qualquer circuito simples de conversor de boost que possa ser construído em placas de proto, placas de pão ou placas de circuito impresso.
1. Configuração do quadro:

Figura 2. Circuito de conversor boost
2. Ajustando a relação de dever e a frequência de comutação
3. Teste do conversor de impulso para entrada variável
4. Teste do conversor de impulso para a relação de dever variável
5. Teste do conversor de impulso para frequência de comutação variável
Os conversores de reforço são usados em eletrônica para gerar uma tensão de saída CC maior que a entrada CC, aumentando assim a tensão de alimentação. Os conversores de reforço são frequentemente usados em fontes de alimentação para LEDs brancos, baterias para automóveis elétricos e muitas outras aplicações. Um conversor de reforço armazena energia no campo magnético de um indutor e a transfere para uma carga com um circuito de comutação. A transferência de energia do campo magnético do indutor permite o aumento da saída CC em um único estágio. Este vídeo ilustrará a construção de um conversor de reforço e investigará como a alteração da condição de operação do conversor afeta sua tensão de saída.
Este circuito conversor de reforço simples consiste em uma fonte de tensão CC de entrada conectada a um indutor e um interruptor. A chave pode ser um transistor bipolar, um MOSFET ou outro dispositivo eletrônico semelhante que conecta e desconecta alternadamente o indutor da linha comum da fonte de alimentação. Um diodo de bloqueio conecta o indutor a um capacitor que filtra a ondulação na tensão de saída. Aumentar a capacitância diminui a ondulação. Para uma capacitância suficientemente grande, a saída se torna uma tensão CC constante. Um trem de pulso digital abre ou fecha o interruptor. O pulso tem uma taxa de serviço que é a relação entre o tempo e o período. A taxa de serviço pode variar de zero ou aumentar até um com mais e mais no prazo. Quando o pulso está ligado, a chave fecha e o indutor é conectado através da tensão de alimentação. Nesse estado, o terminal indutor conectado à saída da fonte de alimentação tem o maior potencial e o terminal conectado ao comum tem o menor potencial. Agora, a corrente flui através do indutor aumentando linearmente com o tempo para frequências de comutação suficientemente altas. Durante esse tempo, a tensão do indutor é definida como positiva porque a inclinação da corrente em relação ao tempo é positiva. O indutor armazena energia proporcional ao quadrado da corrente em seu campo magnético. Quanto mais tempo o indutor estiver conectado à fonte de alimentação, mais a corrente aumenta e mais energia ele armazena. Quando o interruptor abre, a corrente através do indutor deve continuar fluindo na mesma direção. Essa corrente também diminui porque o indutor agora cede energia para a carga. A tensão do indutor torna-se negativa porque a inclinação da corrente versus o tempo é negativa. Como resultado, a polaridade do indutor inverte e agora aumenta a tensão de entrada "V in", produzindo um potencial mais alto na saída. O circuito neste estado, polariza o diodo e o indutor descarrega corrente, alguns indo para a carga e outros indo para o capacitor que então armazena a carga. Quando a chave fecha novamente, o diodo torna-se polarizado reversamente, desconectando o indutor da saída e evitando um curto-circuito da carga. Durante esse tempo, o indutor recarrega e, em seu lugar, o capacitor fornece corrente para a carga. Este ciclo de carga e descarga do capacitor produz uma tensão média de saída com alguma quantidade de ondulação. Em frequências de comutação suficientemente altas, os tempos de carga e descarga do capacitor são curtos e a saída atinge uma tensão de estado estacionário com relativamente pouca ondulação. Este ciclo de comutação se repete indefinidamente e é a base da operação do conversor de reforço. Idealmente, a tensão média de saída aumenta à medida que a taxa de serviço aumenta e uma taxa de serviço de um gera tensão infinita. No entanto, elementos parasitas e resistências no conversor de reforço limitam os valores úteis de D a um máximo de cerca de 0,7 ou 0,8. Se D for suficientemente grande, os efeitos parasitas dominam a operação do circuito e a tensão de saída diminui mesmo que D continue a aumentar. Nos experimentos a seguir, estudaremos como um conversor de reforço aumenta a tensão no modo de condução contínua, também chamado de CCM, uma condição em que o indutor opera o tempo todo com corrente diferente de zero.
A tensão de saída neste experimento é limitada a 50 volts DC ou menos. Use apenas os ciclos de trabalho, frequências, vol de entradatages e cargas especificados. Esses experimentos utilizam a placa de poste de energia da HiRel Systems, projetada para experimentação com diferentes topologias de circuito conversor DC para DC. Com a chave de alimentação de sinal S90 desligada, conecte a fonte de sinal de +/- 12 volts no conector den J90. Defina os jumpers de seleção de controle PWM J62 e J63 para a posição de malha aberta. Ajuste a fonte de alimentação CC para 10 volts positivos, mas não conecte a saída da fonte de alimentação à placa. Em seguida, construa o circuito conforme mostrado com o MOSFET inferior, o diodo superior e a placa magnética BB. Registre o valor do indutor na placa magnética BB. O resistor de carga é um potenciômetro de potência. Use um multímetro para medir sua resistência enquanto a ajusta para 20 ohms. Em seguida, conecte o potenciômetro entre os terminais V1+ e COM. Defina o banco seletor de chaves S30 da seguinte forma: PWM para MOSFET inferior, use PWM integrado e desligue a carga. Conecte a ponta de prova diferencial do osciloscópio entre o terminal 16, que é a porta do MOSFET inferior, e o terminal 12, que é a fonte. Ligue o interruptor S90. O trem de pulso que aciona o MOSFET deve aparecer na tela do osciloscópio. Selecione o eixo de tempo do osciloscópio para exibir vários períodos dessa forma de onda. Defina o potenciômetro de ajuste de frequência RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 kilohertz. Defina o potenciômetro de taxa de serviço RV64 para que os pulsos tenham um tempo de ativação de um microssegundo, o que corresponde a uma taxa de serviço de 0,1.
Conecte a fonte de alimentação DC aos terminais de entrada V2+ e COM. Para medir a corrente do indutor, conecte a sonda do escopo diferencial entre os terminais CS5 e COM. Para medir a tensão através do resistor de carga RL, conecte a outra sonda diferencial entre os terminais V1+ e COM. A tensão de saída deve ser uma onda triangular. As rampas ascendentes ocorrem quando a chave do conversor de reforço está aberta e o indutor está transferindo energia para a carga. As rampas descendentes ocorrem quando a chave é fechada, o indutor é desconectado da saída e o capacitor está fornecendo energia para a carga. A corrente indutora é uma onda triangular que aumenta linearmente durante o tempo ligado do trem de pulso e, em seguida, diminui linearmente durante o tempo desligado. O deslocamento é a corrente média. Usando as funções de medição integradas do osciloscópio, meça o valor médio da tensão de saída e o valor médio da corrente do indutor. Repita essas etapas com a fonte de alimentação CC de entrada definida para oito, 12 e 14 volts. Para uma taxa de serviço fixa, à medida que a tensão de entrada aumenta, a tensão de saída de um conversor de reforço ideal deve aumentar proporcionalmente.
Esta parte do experimento mede a taxa de serviço do trem de pulso em vez da corrente do indutor. Conecte as sondas de osciloscópio entre os terminais 16 e 12, que são a porta e a fonte do MOSFET inferior, respectivamente. Conecte a fonte de alimentação DC de entrada aos terminais V2+ e COM. Como antes, a tensão de saída é uma onda triangular resultante do indutor e do capacitor fornecendo alternadamente corrente para a carga. A tensão da fonte de porta do MOSFET é um trem de pulso digital com uma frequência de 100 kilohertz, um período de 10 microssegundos e um tempo de ativação de um microssegundo. Meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de ativação da porta para a fonte de tensão, juntamente com a corrente de entrada e as leituras de tensão da fonte de alimentação CC. Repita este teste após ajustar o potenciômetro RV64 da taxa de serviço para que o fluxo de pulso tenha um tempo de ativação de dois, quatro e seis microssegundos, que correspondem a taxas de serviço de 0.2, 0.4 e 0.6, respectivamente.
À medida que a taxa de serviço D aumenta, a tensão de saída do conversor de reforço também aumenta. Idealmente, se D tiver um valor de 0,2, uma entrada de 10 volts gerará uma saída de cerca de 12,5 volts. Se D for 0,4, a saída será de cerca de 16,6 volts. Se D for 0,6, a saída será de cerca de 25 volts. Em geral, a tensão de saída é menor do que o esperado da relação ideal porque os elementos parasitas criam quedas de tensão não ideais e perda de energia não contabilizada. À medida que a taxa de serviço se aproxima de um, a tensão de saída teórica torna-se infinitamente grande. Na realidade, a tensão de saída é limitada a cerca de três ou quatro vezes a tensão de entrada e a influência de componentes parasitas e não ideais faz com que a tensão de saída diminua depois que D se torna suficientemente alta.
Os conversores de reforço geram uma tensão de saída maior que a tensão de entrada e muitas aplicações os incorporam para aumentar a flexibilidade na escolha das fontes de energia. A voltagem de um painel solar muda com a posição do sol, condições climáticas e sombra. Os conversores de reforço são comumente usados para aumentar a saída variável de um conjunto de painéis solares para fornecer uma tensão consistente para alimentar uma rede elétrica. Os sistemas alimentados por bateria são frequentemente usados para alimentar dispositivos sem o uso de um cabo de alimentação. Para atingir a tensão de saída mais alta necessária, as células da bateria são frequentemente empilhadas. Isso pode ocupar muito espaço se muitas células forem necessárias para atingir a saída desejada. Em vez disso, os conversores de reforço são usados para aumentar a tensão enquanto economizam espaço.
Você acabou de assistir a Introdução de Jove aos Conversores de Impulso. Agora você deve entender como funcionam os conversores de reforço e como o ajuste da tensão de entrada, taxa de serviço e frequência afeta a tensão de saída. Obrigado por assistir.
Um conversor de impulso depende da energia armazenada no indutor, L,para fornecer energia para o lado de saída onde a carga é suportada, além de uma fonte DC ser a principal fonte de energia. O principal conceito por trás da operação do conversor de impulso é que um indutor vai virar sua polaridade de tensão para manter o fluxo de corrente. Como mostrado na Fig. 1(a) para um circuito simples de conversor de boost, quando o interruptor está ligado para um ciclo de trabalho D do período de comutação T,a tensão do indutor VL aumenta. Quando o interruptor está desligado, a corrente do indutor deve continuar fluindo e, portanto, a polaridade de tensão do indutor será invertida para adicionar à tensão de entrada Vem.
No entanto, quando o interruptor está ligado, a carga é curto-circuito e a tensão de saída é zero, o que não é desejado. Portanto, um diodo de bloqueio é adicionado no lado de saída, como mostrado na Fig. 1(b) para evitar que a carga seja curta-circuito. Este diodo ainda não resolve o problema da carga não vendo tensão quando o interruptor está ligado, de modo que um capacitor é adicionado como mostrado na Fig. 1(c) para fornecer a carga com corrente necessária durante o período em que o interruptor está ligado. Note que quando o interruptor está ligado, o diodo está desligado (viés inverso) e vice-versa. A tensão média da saída está, portanto, relacionada à tensão de entrada como: fora>=Vem/(1-D).

Figura 1. Passos para a construção de um conversor de impulso
À medida que este experimento prossegue, será mostrado que a tensão média da saída aumenta à medida que o ciclo de serviço, D,aumenta. Isso é verdade, uma vez que a tensão de saída para a relação de tensão de entrada é inversamente proporcional a -D, e assim a tensão de saída e D têm uma correlação positiva.
Observe que a equação apresentada é para um conversor de impulso ideal, e pode parecer que um D=1 produzirá tensão de saída infinita, mas isso não é verdade. Na realidade, elementos parasitas e resistências no conversor de impulso fazem com que D fique limitado a cerca de 70-80% após o qual os efeitos parasiticos começam a dominar a operação do circuito e causam quedas significativas de tensão. Nesse ponto, a tensão de saída começa a diminuir à medida que a D aumenta. Com frequências de comutação mais altas, a ondulação de tensão na saída diminuirá, uma vez que os tempos de carregamento e descarga de tensão no capacitor tornam-se significativamente mais curtos com uma frequência de comutação reduzida.
A relação de tensão de saída-entrada do conversor de impulso é proporcional ao ciclo de tarefa no sentido de que d mais alto produzirá maiores tensões de saída para uma determinada tensão de entrada. Se a tensão de entrada estiver V dentroe a tensão de saída forV out, Vout/Vem= 1/(1-D), onde 0≤D≤ 100%. Portanto, para uma tensão de entrada de 10 V, Vfora≈ 12,5 V para D = 20%, Vfora≈ 16,67 V para D= 40%, e Vfora≈ 25 V para D = 60%.
No entanto, a tensão de saída será menor do que o esperado a partir da relação ideal, que é linear com a razão de serviço. A principal razão é que o modelo ideal de conversor a partir do qual o Vout/Vem relacionamento pode ser derivado não conta com não idealidades e quedas de tensão no conversor. Teoricamente, como D→100%, Vfora→∞; praticamente, um limite teórico na capacidade de impulso é em torno de 3-4x a tensão de entrada, e após um certo nível de D, a tensão de saída do conversor começa a cair em vez de ser aumentada devido a elementos parasitas e não ideais em um conversor real.
Os conversores boost são muito comuns em aplicações solares fotovoltaicas onde a tensão de entrada do painel solar varia com as condições climáticas e energia solar disponível, e um conversor de impulso pode sempre impulsionar a partir da tensão do painel FOTOVOLTAL. Correção do fator de potência para melhorar a qualidade da energia, como visto na rede elétrica com cargas eletrônicas de energia que podem exigir uma potência reativa significativa, por exemplo, motores, é outra grande aplicação de conversores de impulso.
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