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Conversor de Buck DC/DC

Overview

Fonte: Ali Bazzi, Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Connecticut, Storrs, CT.

Embora seja simples intensificar as tensões e correntes CA usando transformadores, intensificar ou descer tensões e correntes DC de forma eficiente e regulamentada requer a troca de conversores de energia. O conversor de dólares DC/DC corta a tensão DC de entrada usando um interruptor de entrada de série, e a tensão picada é filtrada através do filtro L-C low-pass para extrair a tensão média de saída. O diodo fornece um caminho para a corrente do indutor quando o interruptor está desligado durante parte do período de comutação. A tensão de saída é esta menor ou igual à tensão de entrada.

O objetivo deste experimento é estudar diferentes características de um conversor de dólares. A capacidade de descida 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.

Principles

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Os reguladores lineares (série e shunt) podem fornecer capacidade de passo para baixo, mas são altamente ineficientes quando a relação saída-entrada é muito baixa. Os divisores de tensão também podem descer a tensão DC, no entanto, não há regulamentação envolvida com cargas variáveis. Os conversores buck apresentam, assim, recursos eficientes e robustos de recuo de tensão DC.

Para construir um conversor de dólares, podemos começar com o circuito mostrado abaixo em Fig. 1(a). Quando o interruptor estiver ligado para uma parte (D) do período de comutação(T),a tensão de saída (Vo) e a tensão de entrada(Vem) são iguais. Quando o interruptor está desligado por uma parte(1-D) do período, a tensão de saída é zero. Isso produz uma tensão de saída de onda quadrada cuja média (mostrada por suportes < >) é menor que a da tensão de entrada: o>=VoD+ Vo(1-D)= VemD + 0(1-D)= VemD.

A fim de minimizar a ondulação da corrente de saída e, assim, a onda de tensão de saída com uma carga resistiva, um indutor é adicionado como mostrado na Fig. 1(b). O problema com um indutor é que ele mantém o fluxo de corrente até que toda a sua energia armazenada seja liberada, portanto, se o interruptor desligar, um grande dI/dt ocorrerá através do interruptor, uma vez que a corrente tem que fluir. Portanto, um diodo de roda livre é adicionado para fornecer um caminho de corrente indutor, como mostrado na Fig. 1(c). No entanto, a indutância do indutor terá que ser muito grande para ter uma onda de tensão de saída muito baixa, e um capacitor deve ser adicionado para reduzir o tamanho do indutor e fornecer uma saída de tensão DC limpa na carga, como mostrado na Fig. 1(d).

Figure 1
Figura 1. Passos para construir um conversor de dólares

À medida que este experimento prossegue, será mostrado que a tensão média da saída aumentará à medida que o ciclo de serviço, 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.

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Procedure

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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 buck que possa ser construído em placas proto, placas de pão ou placas de circuito impresso.

1. Configuração do tabuleiro

  1. Conecte a fonte de sinal ±12 no conector "DIN", mas mantenha "S90" DESLIGADO.
  2. Certifique-se de que o seletor de controle PWM esteja na posição de loop aberto.
  3. Defina a fonte de alimentação DC em 24 V. Mantenha a saída desconectada da placa.
  4. Antes de conectar o resistor de carga, ajustei-o para 12 Ω.
  5. Construa o circuito mostrado na Fig. 2 usando a placa magnética MOSFET superior, diodo inferior e placa magnética BB. Registre o valor de indução mostrado no quadro. Observe que a placa magnética BB tem um indutor com dois terminais que se conectam à placa conversor DC-DC (power-pole).
    1. Conecte "RL" em "V2+" e "COM".
    2. Certifique-se de que a matriz de switches para seleção MOSFET, seleção PWM e outras configurações estão como mostrado na Fig. 2.

Figure 2
Figura 2. Circuito conversor de buck

2. Ajustando a relação de dever e a frequência de comutação

  1. Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET superior.
  2. Ligue "S90". Um sinal de comutação deve aparecer na tela do osciloscópio.
    1. Ajuste o eixo de tempo do sinal para ver dois ou três períodos.
    2. Ajuste o potencialiômetro de frequência para alcançar uma frequência de 100 kHz (período de 10μs).
    3. Ajuste o potencialiômetro da razão de serviço para atingir uma taxa de 50% de serviço.

3. Teste do conversor de buck para entrada variável

  1. Conecte a fonte de alimentação DC de entrada, que já está definida em 24 V, para "V1+" e "COM".
  2. Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET superior.
    1. Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
  3. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
    1. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
  4. Ajuste a tensão de entrada para 21 V, 18 V e 15 V e repita as etapas acima para cada uma dessas tensões.
  5. Desconecte a entrada de alimentação DC e ajuste sua saída para 24 V.

4. Teste do conversor de buck para a relação de dever variável

  1. Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET superior.
    1. Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
  2. Conecte a fonte DC de entrada que está definida em 24 V entre "V1+" e "COM".
  3. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
    1. Regisso registro das leituras de corrente de entrada e tensão na fonte de alimentação DC.
    2. Ajuste a relação de serviço para três etapas de sua escolha entre 30% e 70%. Repita as etapas acima para cada uma dessas três relações de serviço.
  4. Redefinir a taxa de direitos para 50%.
  5. Desconecte a entrada de alimentação DC.

5. Teste do conversor de buck para frequência de comutação variável

  1. Conecte a sonda diferencial através do portão à fonte do MOSFET superior.
  2. Conecte a outra sonda através da carga. Certifique-se de que o conector do solo esteja conectado ao "COM".
  3. Conecte a fonte DC de entrada a "V1+" e "COM".
  4. Capture as formas de onda e meça a média de tensão de saída e o tempo de tensão do portão para fonte (também a razão de serviço).
    1. Regisso registro da corrente de entrada e leitura de tensão na fonte de alimentação DC.
    2. Ajuste a frequência de comutação para três etapas de sua escolha entre 5 kHz e 40 kHz. Repita as etapas acima para cada uma dessas três relações de serviço.
  5. Desligue a entrada de alimentação DC e "S90", e desmonte o circuito.

Conversores de buck geram uma tensão de saída DC que é menor que a entrada DC. Em outras palavras, diminuindo ou diminuindo a tensão de alimentação. Os reguladores lineares comumente usados descem a tensão dissipando a energia como calor em um resistor, que se torna muito ineficiente com grandes diferenças entre as tensões de entrada e saída. Enquanto os componentes resistivos desperdiçam energia através do aquecimento do joule, os conversores de buck usam componentes reativos que idealmente não dissipam energia e, consequentemente, podem diminuir eficientemente a tensão com um aumento correspondente na corrente disponível. No conversor de buck, um switch prende a fonte DC para criar a entrada CA em um filtro de passagem baixa. O filtro de passagem baixa consiste em um indutor e um capacitor e extrai a tensão média com apenas pequenas perdas devido a resistências parasitárias. O resultado é uma tensão de saída menor ou igual à tensão de entrada. Este vídeo ilustrará a construção de um conversor de buck e investigará como a alteração da condição de operação dos conversores afeta sua tensão de saída.

Este circuito conversor de buck usa um interruptor eletrônico para conectar e desconectar um indutor da fonte de alimentação DC. Este interruptor talvez um transistor bipolar, um MOSFET ou outro dispositivo eletrônico similar. O indutor e um capacitor compõem um filtro de passagem baixa com um diodo para fornecer um caminho para a corrente indutora quando o interruptor estiver aberto. A saída do filtro de passagem baixa está conectada à carga. Um trem de pulso digital abre ou fecha o interruptor com uma relação de serviço, D, que é a razão do tempo para o período. Quando o interruptor está fechado, a entrada para o filtro de passagem baixa é conectada à tensão de alimentação, V in. O diodo torna-se tendencioso reverso e não conduz e a corrente flui através do indutor. Quando o interruptor está aberto, esta corrente indutora deve continuar na mesma direção e o diodo torna-se tendencioso para a frente para formar um loop de corrente completa. Na entrada para o filtro de passagem baixa, este interruptor de comutação produz uma onda retangular que oscila entre V em aproximadamente zero volts. Com exceção de alguma ondulação, a saída do filtro é a média da onda retangular, que aumenta à medida que a razão de serviço aumenta. Em frequências de comutação suficientemente altas, os capacitores carregam e os tempos de descarga são curtos. Assim, a ondulação de tensão torna-se pequena e o resultado é uma saída DC limpa retirada da entrada DC. Como o indutor e o capacitor são componentes reativos, eles idealmente não têm perda de energia resistiva. O filtro LC ideal então é capaz de passar energia para a carga com 100% de eficiência. Na realidade, a resistência do fio do indutor e outras resistências parasitárias no circuito, reduzem a eficiência para a faixa de 80 a 95%. Agora que o básico do conversor de bucks tinha sido discutido, vamos dar uma olhada em como um conversor de dólares desce a tensão e continua como modo de condução, também chamado CCM, uma condição quando o indutor opera o tempo todo com corrente não-zero.

Esses experimentos utilizam a placa do polo de energia hiRel Systems que foi projetada para experimentação com várias topologias do circuito de conversor DC to DC. Comece garantindo que o interruptor de alimentação do sinal, O S90 seja desligado. Em seguida, conecte o fornecimento de sinal ao conector DIN J90. Defina os jumpers de seleção de controle PWM, J62 e J63 na posição de loop aberto. Ajuste a fonte de alimentação DC para 24 volts positivos, mas não conecte a saída de alimentação à placa. Construa o circuito com o MOSFET superior, o diodo inferior e a placa magnética BB. Registo o valor do indutor na placa magnética BB. O resistor de carga RL é um potencialiômetro de potência. Use um multímetro para ler sua resistência enquanto o ajusta a 12 ohms. Em seguida, conecte o resistor de carga entre os terminais V2+ e COM. Defina o banco seletor de interruptor S30 da seguinte forma. PWM para MOSFET superior, use PwM a bordo e desaboteado a carga. Em seguida, conecte a sonda diferencial dos osciloscópios entre o terminal 15, que é o portão da MOSFET superior e do terminal 11, que é a fonte. Ligue o interruptor de alimentação do sinal, S90 e observe o trem de pulso que dirige o MOSFET. Defina o potencialiômetro de ajuste de frequência, RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 kilohertz. Defina o potencialiômetro da razão de serviço, RV63 para que os pulsos tenham um tempo de cinco microssegundos.

Mantenha a sonda de escopo diferencial conectada entre os terminais 15 e 11, que são o portão e a fonte do MOSFET superior, respectivamente. Para medir a tensão entre o resistor de carga, RL, conecte a outra sonda diferencial entre os terminais V2+ e COM. Conecte a fonte de alimentação DC aos terminais de entrada, V1+ e COM. Observe a forma de onda triangular para tensão de saída e o trem de pulso retangular do sinal de comutação. As rampas ascendentes da tensão de saída ocorrem quando o interruptor conversor de buck é fechado e o indutor está transferindo energia para o capacitor e carga. As rampas para baixo ocorrem quando o interruptor está aberto, o indutor é desconectado da fonte de tensão de entrada e o capacitor está abrindo alguma energia armazenada para a carga. Em seguida, meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de tensão da fonte do portão. Observe a corrente de entrada e as leituras de tensão da fonte de alimentação DC. Repita este teste após ajustar o potencialiômetro da razão 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 de buck também aumenta. Idealmente, se D tem um valor de 0,3, então uma entrada de 24 volts gera uma saída de cerca de 7,2 volts. Da mesma forma, se D é 0,5, então a saída seria de cerca de 12 volts ou se D é 0,7, então a saída seria de cerca de 16,8 volts e assim por diante.

Defina a relação de serviço para 0,5 e, em seguida, conecte a entrada de alimentação DC aos terminais V1+ e COM. Defina RV60 para produzir uma frequência de comutação de 100 quilohertz. Como antes, a forma de onda de tensão de saída é uma onda de triângulo resultante do filtro de passagem baixa que atua na entrada de onda retangular. A tensão de origem do portão é um trem de pulso digital com uma frequência de 100 kilohertz. Um período de 10 microssegundos e um tempo de cinco microssegundos. Meça o valor médio da tensão de saída e o tempo de entrada do portão para a tensão de origem. Observe a corrente de entrada e as leituras de tensão da fonte de alimentação DC. Repita este teste após ajustar o RV60 para uma frequência de comutação de 10, 20 e 40 kilohertz com a razão de serviço fixada em 0,5. À medida que a frequência aumenta, a ondulação da saída diminui porque os tempos de carga e descarga do capacitor também diminuem. Em geral, a tensão de saída está neste experimento são menos do que o esperado a partir da relação ideal. Esse desvio é resultado de elementos parasitas como a resistência do fio no indutor e outras resistências no circuito, que criam gotas de tensão não ideais e perda de energia não contabilizada.

O conversor de buck fornece regulagem de tensão bem controlada com um passo de acompanhamento na corrente, tornando-os cruciais para aplicações relacionadas 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 controlados remotamente usam conversores de buck para reduzir a tensão das baterias de lítio a esses valores baixos, estendendo a vida útil da bateria e intensificando a corrente de bateria para suprir as necessidades de circuitos integrados com milhões de transistores. Dispositivos eletrônicos como celulares usam baterias de íons de lítio com tensão nominal de células, cerca de 3,6 a 3,7 volts. No entanto, carregadores de bateria padronizados com os conectores USB fornecem cinco volts. Um conversor de dólares no dispositivo eletrônico desce a saída USB até a tensão mais baixa necessária para carregar a bateria de íons de lítio.

Você acabou de assistir a introdução de Jove aos conversores de dinheiro. Agora você deve entender o funcionamento deles e como a saída DC depende da relação de serviço e da frequência de comutação. Obrigado por assistir.

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Results

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Espera-se que a relação de tensão de entrada de saída de um conversor de buck ideal esteja relacionada ao ciclo de serviço ou à razão de serviço D. Se a tensão de entrada estiver V dentro e a tensão de saída for V out, Vout/Vin = D, onde 0≤D≤ 100%. Portanto, para uma tensão de entrada de 24 V, Vfora≈ 12 V para D = 50%, Vout≈ 7,2 V para D = 30%, e Vfora≈ 16,8 V para D = 70%. No entanto, a tensão de saída será menor do que o esperado a partir da relação ideal, que é linear com a razão de dever, e a principal razão é que o modelo ideal de conversor de buck não conta com não idealidades e quedas de tensão no conversor.

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Applications and Summary

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Conversores de buck são muito comuns em carregadores eletrônicos de dispositivos onde fornecem excelente regulagem de tensão necessária para o carregamento da bateria. Eles são comumente usados em fontes de alimentação que alimentam computadores, circuitos integrados e placas eletrônicas, bem como em aplicações de energia renovável e sistemas alimentados por baterias.

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Transcript

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