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Os conversores Buck geram uma tensão de saída CC menor que a entrada CC. Em outras palavras, curvar ou diminuir a tensão de alimentação. Os reguladores lineares comumente usados reduzem a tensão dissipando a energia como calor em um resistor, o que se torna muito ineficiente com grandes diferenças entre as tensões de entrada e saída. Enquanto os componentes resistivos desperdiçam energia através do aquecimento joule, os conversores buck usam componentes reativos que idealmente não dissipam energia e, consequentemente, podem diminuir a tensão com eficiência com um aumento correspondente na corrente disponível. No conversor buck, um interruptor retém a alimentação CC para criar a entrada CA para um filtro passa-baixo. O filtro passa-baixo consiste em um indutor e um capacitor e extrai a tensão média com apenas pequenas perdas devido a resistências parasitas. O resultado é uma tensão de saída menor ou igual à tensão de entrada. Este vídeo ilustrará a construção de um conversor buck e investigará como a alteração da condição de operação dos conversores afeta sua tensão de saída.
Este circuito conversor buck usa um interruptor eletrônico para conectar e desconectar um indutor da fonte de alimentação DC. Este interruptor pode ser um transistor bipolar, um MOSFET ou outro dispositivo eletrônico semelhante. O indutor e um capacitor compõem um filtro passa-baixo com um diodo para fornecer um caminho para a corrente do indutor quando a chave está aberta. A saída do filtro passa-baixo é conectada à carga. Um trem de pulso digital abre ou fecha a chave com uma taxa de serviço, D, que é a razão entre o tempo de ativação e o período. Quando a chave é fechada, a entrada para o filtro passa-baixo é conectada à tensão de alimentação, V in. O diodo torna-se polarizado reverso e não conduz e a corrente flui através do indutor. Quando a chave está aberta, essa corrente do indutor deve continuar na mesma direção e o diodo se torna polarizado para formar um loop de corrente completo. Na entrada do filtro passa-baixo, essa comutação produz uma onda retangular que oscila entre V em aproximadamente zero volts. Exceto por alguma ondulação, a saída do filtro é a média da onda retangular, que aumenta à medida que a taxa de serviço aumenta. Em frequências de comutação suficientemente altas, os tempos de carga e descarga dos capacitores são curtos. Portanto, a ondulação de tensão torna-se pequena e o resultado é uma saída CC limpa reduzida da entrada CC. Como o indutor e o capacitor são componentes reativos, eles idealmente não têm perda de potência resistiva. O filtro LC ideal é capaz de passar energia para a carga com 100% de eficiência. Na realidade, a resistência do fio do indutor e outras resistências parasitas no circuito reduzem a eficiência para a faixa de 80 a 95%. Agora que os fundamentos do conversor buck foram discutidos, vamos dar uma olhada em como um conversor buck reduz a tensão e continua como modo de condução, também chamado de CCM, uma condição em que o indutor opera o tempo todo com corrente diferente de zero.
Esses experimentos utilizam a placa de poste de energia HiRel Systems, projetada para experimentação com várias topologias de circuito conversor DC para DC. Comece garantindo que a chave de alimentação de sinal, S90, esteja desligada. Em seguida, conecte a alimentação de sinal no conector DIN 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 24 volts positivos, mas não conecte a saída da fonte de alimentação à placa. Construa o circuito com o MOSFET superior, o diodo inferior e a placa magnética BB. Registre o valor do indutor na placa magnética BB. O resistor de carga RL é um potenciômetro de potência. Use um multímetro para ler sua resistência enquanto o ajusta para 12 ohms. Em seguida, conecte o resistor de carga entre os terminais V2+ e COM. Defina o banco de chaves seletoras S30 da seguinte forma. PWM para MOSFET superior, use PWM integrado e desligue a carga. Em seguida, conecte a sonda diferencial do osciloscópio entre o terminal 15, que é a porta do MOSFET superior e o terminal 11, que é a fonte. Ligue o interruptor de alimentação de sinal, S90 e observe o trem de pulso que aciona o MOSFET. Defina o potenciômetro de ajuste de frequência, RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 kilohertz. Defina o potenciômetro da taxa de serviço, RV63 para que os pulsos tenham um tempo de ativação de cinco microssegundos.
Mantenha a sonda do escopo diferencial conectada entre os terminais 15 e 11, que são a porta e a fonte do MOSFET superior, respectivamente. Para medir a tensão através do resistor de carga, RL, conecte a outra sonda diferencial entre os terminais V2+ e COM. Conecte a fonte de alimentação CC aos terminais de entrada, V1+ e COM. Observe a forma de onda triangular para a tensão de saída e o trem de pulso retangular do sinal de comutação. As rampas ascendentes da tensão de saída ocorrem quando a chave do conversor buck é fechada e o indutor está transferindo energia para o capacitor e a carga. As rampas descendentes ocorrem quando a chave está aberta, o indutor é desconectado da fonte de tensão de entrada e o capacitor está liberando alguma energia armazenada para a carga. Em seguida, meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de ativação da tensão da fonte da porta. Observe as leituras de corrente e tensão de entrada da fonte de alimentação CC. Repita este teste após ajustar o potenciômetro da taxa de serviço, RV64 para que o trem de pulso tenha taxas de serviço de 0.4, 0.6 e 0.7. À medida que a taxa de serviço D aumenta, a tensão média de saída do conversor buck também aumenta. Idealmente, se D tiver um valor de 0,3, uma entrada de 24 volts gerará uma saída de cerca de 7,2 volts. Da mesma forma, se D for 0,5, a saída será de cerca de 12 volts ou se D for 0,7, a saída será de cerca de 16,8 volts e assim por diante.
Defina a taxa de serviço para 0.5 e, em seguida, conecte a alimentação CC de entrada aos terminais V1+ e COM. Defina RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 kilohertz. Como antes, a forma de onda da tensão de saída é uma onda triangular resultante do filtro passa-baixa atuando na entrada da onda retangular. A tensão da fonte da porta é um trem de pulso digital com uma frequência de 100 kilohertz. Um período de 10 microssegundos e um tempo de ativação de cinco microssegundos. Meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de ativação da porta para a tensão da fonte. Observe as leituras de corrente e tensão de entrada da fonte de alimentação CC. Repita este teste depois de ajustar o RV60 para uma frequência de comutação de 10, 20 e 40 kilohertz com a taxa de serviço fixada em 0.5. À medida que a frequência aumenta, a ondulação de saída diminui porque os tempos de carga e descarga do capacitor também diminuem. Em geral, a tensão de saída neste experimento é menor do que o esperado da relação ideal. Esse desvio é o resultado de elementos parasitas, como a resistência do fio no indutor e outras resistências no circuito, que criam quedas de tensão não ideais e perda de energia não contabilizada.
O conversor Buck fornece regulação de tensão bem controlada com um aumento de corrente, tornando-os cruciais para aplicações preocupadas com perda mínima de energia no processo de conversão. O consumo de energia em laptops diminuiu muito devido ao desenvolvimento de microprocessadores que operam com apenas 1,8 ou 0,8 volts. Laptops e dispositivos de controle remoto usam conversores buck para reduzir a tensão das baterias de lítio a esses valores baixos, prolongando a vida útil da bateria e aumentando a corrente da bateria para suprir as necessidades de circuitos integrados com milhões de transistores. Dispositivos eletrônicos, como telefones celulares, usam baterias de íon de lítio com uma tensão nominal da célula, cerca de 3,6 a 3,7 volts. No entanto, carregadores de bateria padronizados com conectores USB fornecem cinco volts. Um conversor buck no dispositivo eletrônico reduz a saída USB para a tensão mais baixa necessária para carregar a bateria de íon de lítio.
Você acabou de assistir à introdução de Jove aos conversores de buck. Agora você deve entender sua operação e como a saída CC depende da taxa de serviço e da frequência de comutação. Obrigado por assistir.
