Conversor Boost DC/DC

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.