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Introdução ao Power Pole Board

Overview

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

Os conversores DC/DC são conversores eletrônicos de energia que convertem tensões e correntes DC de um certo nível para outro nível. Normalmente, a conversão de tensão é o principal propósito dos conversores DC/DC e existem três tipos principais de conversão em um único conversor: intensificar, descer e subir ou descer. Entre os conversores de step-up mais comuns estão os conversores boost (Consulte este vídeo de coleções: DC/DC Boost Converter), enquanto entre os conversores de step-down mais comuns estão conversores de buck. (Consulte este vídeo de coleções: DC/DC Buck Converter.) Conversores buck-boost também são comuns para executar funcionalidades de intensificação e descida, e conversores de flyback podem ser considerados como tipos especiais de conversores de buck-boost onde o isolamento elétrico é obtido entre as portas de entrada e saída. (Consulte este vídeo de coleções: Flyback Converter.)

As topologias do conversor DC/DC são numerosas, e suas melhorias de controle, modelagem e operacional (por exemplo, eficiência, confiabilidade, desempenho, etc.) são áreas de interesse contínuo. O quadro HiRel Power Pole apresentado neste experimento fornece uma ferramenta muito flexível para estudar e analisar o desempenho do conversor de boost, buck e flyback, tudo em uma única placa.

O objetivo deste experimento é introduzir os principais componentes e capacidades do Power Pole Board dos sistemas HiRel, que é a placa sendo usada em três experimentos em conversores DC/DC.

Principles

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A placa HiRel Power Pole tem cinco grandes áreas de sub-circuito que são rotuladas em Fig. 1. (As áreas rotuladas em Fig. 1 são aproximadas.) A primeira área (vermelha) inclui o lado principal que possui capacitores de filtro, um sensor atual e conectores rotulados como "V1" e "COM", que podem se conectar a uma fonte ou carga de tensão DC. Fig. 2 mostra um zoom na primeira área com componentes rotulados.

A segunda área (amarela) inclui o lado secundário, que possui capacitores de filtro, um sensor atual e conectores rotulados como "V2" e "COM", que se conectam a uma fonte de tensão DC ou à carga mostrada como um resistor de energia planar. Fig. 3 mostra um zoom na segunda área com componentes rotulados. A primeira ou a segunda área podem ser usadas para conectar-se a uma fonte de tensão DC, por exemplo, fonte de alimentação DC, enquanto a outra se conecta a uma carga. Observe que quando a segunda área está conectada a uma fonte, o resistor de carga pode ser desalvado da placa ou deixado sem ter impacto no funcionamento do conversor, pois seria alimentado diretamente da fonte de tensão DC.

A terceira área (verde) é a área do polo de energia, onde dois MOSFETs e dois diodos estão conectados. A primeira "perna" inclui um MOSFET superior e um diodo inferior, enquanto a segunda "perna" inclui um diodo superior e um MOSFET inferior. Os componentes reais do MOSFET superior e do diodo são montados no mesmo dissipador de calor no retângulo verde da Fig. 1 no lado superior esquerdo, enquanto o MOSFET inferior e o diodo são montados no mesmo dissipador de calor no lado inferior esquerdo no retângulo verde em Fig. 1. Uma visão de zoom nessa área é mostrada em Fig. 4. O outro pequeno retângulo verde inclui drivers de portão que pegam um pulso de comutação de baixa potência, por exemplo, sinal modulado por largura de pulso, e o convertem para os níveis de tensão apropriados que podem ligar e desligar os MOSFETs.

A quarta área (azul) tem quatro pontos de conexão onde uma placa filha que inclui um componente magnético pode ser montada. Duas placas são usadas com esta placa para os experimentos do conversor DC/DC: a primeira placa é a placa BB, mostrada na Fig. 5, que inclui um indutor de aproximadamente 100 μH; e a segunda placa é a placa flyback, mostrada na Fig. 6, que inclui um indutor ou transformador acoplado a flyback, juntamente com seu circuito R-C-Diode snubber. O circuito snubber ajuda a fornecer um caminho para a energia armazenada do lado principal do transformador em um dos modos de operação do conversor de flyback.

A quinta área inclui eletrônicos de baixa potência que geram pulsos de comutação para os MOSFETs, e fornecem proteção à placa, incluindo proteção contra sobre-corrente e sobretensão. Uma fonte de alimentação DC separada é conectada ao canto inferior esquerdo da placa, ao lado do interruptor "S90" que liga a energia para todos os circuitos de baixa potência para que o lado de alta potência, ou seja, as áreas 1-4, possam funcionar corretamente. A fonte de alimentação DC externa e seu conector que se conecta à placa do Polo de Energia são mostrados na Fig. 7 e 8, respectivamente.

Figure 1
Figura 1: HiRel Power Pole Board com Cinco Grandes Áreas Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: Zoom-in da Área 1.

Figure 3
Figura 3: Zoom-in da Área 2.

Figure 4
Figura 4: Zoom-in da Área 3.

Figure 5
Figura 5: Bb Board.

Figure 6
Figura 6: Flyback Board.

Figure 7
Figura 7: Fonte de alimentação externa para a eletrônica de baixa potência.

Figure 8
Figura 8: Conector externo da fonte de alimentação.

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Procedure

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Este procedimento se concentra principalmente na capacidade da placa do Polo de Energia de ajustar pulsos de comutação para os MOSFETs superiores e inferiores

1. Configuração

  1. Conecte a fonte de alimentação DC externa à placa do polo de alimentação.
  2. Ligue "S90".
  3. Observe que o LED verde está ligado.
  4. Verifique as localizações de "S90" e o LED verde em Fig. 9.
  5. Coloque o segundo interruptor deslizante na matriz do interruptor azul em "Int. PWM. Verifique a localização da matriz do interruptor deslizante em Fig.10.
    1. Int. PWM" significa que o pulso de comutação (PWM: Modulação da largura do pulso) para qualquer MOSFET é gerado na própria placa do Polo de Energia.
    2. Ext. PWM" significa que o pulso de comutação para MOSFET é gerado por uma fonte externa, por exemplo, gerador de função ou microcontrole.
  6. Coloque o primeiro interruptor deslizante na matriz azul em "TOP FET". Apenas um sinal PWM é gerado no Power Pole Board, portanto, um dos MOSFETs deve ser selecionado como o pulso receptor. Uma vez que um MOSFET é selecionado, esse MOSFET agora deve ser capaz de ligar e desligar.
    1. Top FET "seleção significa que o MOSFET superior estará recebendo o pulso de comutação.
    2. A seleção bot fet significa que o MOSFET inferior receberá o pulso de comutação.

Figure 9
Figura 9. Conector externo da fonte de alimentação, interruptor principal e indicador LED

Figure 10
Figura 10. Matriz de switch deslizante

2. Medições para monitorar os pulsos do portão MOSFET

  1. Ligue um osciloscópio.
  2. Conecte uma sonda normal de 10x ao Canal 1 do osciloscópio.
  3. Configure o canal de osciloscópio 1 para estar em acoplamento DC para ver o pwm offset.
  4. Configure o Canal 1 para ser dimensionado para uma sonda de 10x.
  5. Configure medidas no osciloscópio para medir a frequência e o ciclo de serviço positivo do sinal a ser medido no Canal 1.
  6. Conecte o clipe de medição da sonda ao pino "PWM" mostrado na Fig. 10.
  7. Conecte o solo da sonda ao pino "GND" mostrado na Fig. 10.
  8. Na tela do osciloscópio, observe um trem de pulso que é o sinal PWM indo para o motorista do portão do interruptor superior.
    1. Para garantir que o MOSFET superior esteja comutando, remova o clipe de medição da sonda e fixe-o no pino "Gate" no canto superior esquerdo do MOSFET superior mostrado na Fig. 11. Você deve observar uma forma de onda semelhante à que você viu quando o pino PWM estava sendo sondado.
    2. Para garantir que o MOSFET inferior não esteja comutando, remova o clipe de medição da sonda do pino superior "Gate" e coloque-o no pino "Gate" inferior mostrado na Fig. 11. Você deve observar tensão zero.
  9. Coloque o clipe da sonda no pino "PWM".
  10. Ajuste o ciclo de tarefa do sinal "PWM" alterando o botão do potencialiômetro mostrado na Fig. 12. Ir no sentido horário aumenta o ciclo de serviço de zero a 100%, e ir no sentido anti-horário diminui-o.
  11. Ajuste a frequência PWM girando o parafuso do potencialiômetro mostrado na Fig. 13. Use uma pequena chave de fenda para ajustar a posição do parafuso.
    1. Observe que o número de pulsos exibidos na tela do osciloscópio aumenta ou diminui à medida que o potencialiômetro é ajustado.
  12. Repita o procedimento acima com a seleção BOT FET e verifique se o portão MOSFET inferior está agora vendo um pulso de comutação

Figure 11
Figura 11: Pinos de sinal de portão.

Figure 12
Figura 12: Ajuste do ciclo do dever do potencialiômetro.

Figure 13
Figura 13: Potencialômetro para ajuste de frequência

3. Desligue o circuito

  1. Desligue "S90".
  2. Desconecte a fonte de alimentação DC externa.
  3. Desconecte o osciloscópio de ambos os lados.
  4. Desligue o osciloscópio.

O HiRel Power Pole Board é uma ferramenta para estudar e analisar o desempenho de circuitos simples de conversor DC-DC. Os conversores DC-DC pegam entradas de tensão DC e produzem saídas de tensão DC com um valor diferente. Por exemplo, os conversores de impulso intensificam a tensão, enquanto os conversores de buck descem a tensão. Estes conversores podem ser montados e testados em uma placa de pão, mas podem ser avaliados mais simplesmente usando uma placa de demonstração pré-feita, como o HiRel Systems Power Pole Board. Este vídeo introduzirá os principais componentes e capacidades do Power Pole Board, que é usado em experimentos com conversores de boost, buck e flyback nesta coleção.

O HiRel Power Pole Board tem cinco seções principais. O primeiro é o lado principal, que tem capacitores de filtro que são usados nos circuitos conversor, um sensor para medir a corrente através do circuito, e os conectores V1 e COM que se conectam a uma fonte de tensão DC ou a uma carga. A segunda seção é a parte secundária, que também possui capacitores de filtro e um sensor atual. Esta seção tem conectores rotulados V2 e COM que se conectam a uma fonte de tensão DC ou a uma carga. Aqui a carga é mostrada como um resistor de energia planar. Para os experimentos do conversor DC-DC nesta coleção, a carga é um potencialiômetro de potência, que pode ser ajustado com base nos requisitos do circuito e teste. Dependendo da tipologia do conversor, uma dessas duas seções atua como o lado de entrada, conectada a uma fonte de tensão DC, enquanto a outra é o lado de saída que está conectado a uma carga. A terceira seção é o polo de alimentação, que contém os componentes no núcleo do processo de conversão DC-DC. O polo de energia tem dois transistores de efeito de campo de óxido de metal, ou MOSFETs, e dois diodos. O MOSFET superior e o diodo superior são montados de costas para trás em uma única pia de calor. Da mesma forma, o MOSFET inferior e o diodo inferior são montados em um dissipador de calor. Também estão incluídos nesta seção drivers de portão que convertem um sinal de comutação para os níveis de tensão que ligam e desligam os MOSFETs. A quarta seção tem conexões para uma placa filha, que carrega um componente magnético, como um indutor ou transformador. Duas placas filhas são usadas para os experimentos do conversor DC-DC: a placa BB e a placa flyback. A quinta seção contém eletrônicos que geram pulsos de comutação para os MOSFETs e fornecem proteção sobre-corrente e sobre-tensão para o circuito. Uma fonte de alimentação DC externa pode ser conectada ao HiRel Power Pole Board através de um conector DIN. O Switch Principal S90, que fica ao lado do conector DIN, liga a energia para todos os circuitos de baixa potência da placa. Agora que vimos as seções principais do HiRel Power Pole Board, vamos configurar a placa e mostrar como ela será usada em circuitos conversores DC-DC.

Antes de usar a placa do polo de energia, ela deve ser configurada para gerar pulsos de comutação para os MOSFETs. Primeiro, conecte a fonte de alimentação DC externa ao conector DIN. Em seguida, ligue o Interruptor Principal S90. O LED verde do Switch S90 acende para indicar que a energia é aplicada à placa. Localize o seletor switch bank S30 e defina o primeiro switch para TOP FET. Com esta configuração, os pulsos que ligam e desligam os MOSFETS. Se este interruptor estiver definido como BOTTOM FET, os pulsos controlarão o MOSFET inferior. Agora, defina o segundo switch para PWM Internal. Nesta posição, o pulso com sinais modulados gerados na placa liga e desliga o MOSFET selecionado. Se este switch estiver configurado como PWM External, então uma fonte externa, como um gerador de função ou microcontrolador, controla o MOSFET.

Conecte uma sonda 10X ao Canal 1 de um osciloscópio. Corte a parte de terra da sonda até o terminal terrestre da placa e a ponta da sonda para o terminal PWM. Para ver o deslocamento do pulso com sinal modulado, defina o Escopo do Canal 1 para o acoplamento DC. A tela do osciloscópio deve mostrar um trem de pulsos para o motorista para o MOSFET superior. Verifique diretamente o sinal de controle removendo a ponta da sonda do terminal PWN e cortando-o para o terminal do portão pelo MOSFET superior. Um trem de pulso deve ser visível no escopo. Corte novamente a ponta da sonda no terminal PWM. A razão de serviço deste trem de pulso determina o tempo de inocentação do MOSFET como uma porcentagem do período. Esta razão de serviço é uma variável de controle importante porque afeta a relação entre a entrada e as tensões de saída de um conversor DC-DC. Para alterar a razão de serviço do pulso com sinal modulado, ajuste o potencialiômetro RV64. A razão de serviço pode variar de zero a um. Como a frequência máxima de funcionamento de um componente por tipo e design, a frequência de comutação é um parâmetro crítico no desempenho dos conversores DC-DC. Além disso, frequências de comutação mais altas normalmente produzem tensões de saída menores e ondulações de corrente para uma determinada combinação de capacitor e indutor. Altere a frequência do pulso com sinal modulado ajustando o potencialiômetro RV60. Observe como o número de pulsos na tela do osciloscópio aumenta ou diminui à medida que o potencialiômetro é ajustado. Em seguida, defina o primeiro switch do seletor switch banco S30 para BOTTOM FET. Remova a ponta da sonda do terminal PWM e corte-a no terminal do portão pelo MOSFET inferior. Por fim, confirme que o portão da MOSFET inferior recebe o pulso de comutação.

Devido à sua alta eficiência e excelente regulação, os conversores DC-DC são usados em muitas aplicações comerciais. Três conversores comuns são introduzidos aqui e cobertos em vídeos subsequentes nesta coleção. Os conversores de impulso geram uma tensão de saída DC maior que a entrada DC, aumentando assim a tensão de alimentação. O vídeo "DC/DC Boost Converter" explica o funcionamento dos conversores boost, acompanhados de experimentos usando o HiRel Power Pole Board. Conversores de buck geram uma tensão de saída DC que é menor que a entrada. Em outras palavras, diminuindo ou diminuindo a tensão de alimentação. O vídeo "DC/DC Buck Converter" discute como os conversores de buck funcionam e demonstra seu uso com experimentos no HiRel Power Pole Board. Os conversores flyback geram uma tensão de saída DC que pode ser maior ou menor que a entrada DC. Assista ao vídeo "Flyback Converter" para ver como eles são derivados da junção de um conversor de dólares com um conversor de impulso para obter o comportamento de ambos.

Você acabou de assistir a introdução de Jove ao HiRel Power Pole Board. Agora você deve entender o design da placa, como configurá-la e como usá-la para experimentos com circuitos conversores DC-DC. Obrigado por assistir!

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Results

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Espera-se que um pulso PWM seja visto na tela do osciloscópio. O ciclo de serviço é uma variável de controle importante para o conversor DC/DC, pois ajusta o período durante o qual um MOSFET ou qualquer outro interruptor controlado ativamente por um semicondutor está ligado. Todas as relações de tensão de saída de entrada dos conversores DC/DC dependem do valor desta razão de serviço, juntamente com alguma outra variável em algumas topologias conversoras.

A frequência de comutação é fundamental na seleção de componentes, pois a frequência máxima de operação dos componentes varia de acordo com o tipo e o design do componente. Frequências de comutação mais altas normalmente produzem ondas de tensão e corrente menores, mas requerem capacitores e indutores maiores.

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Applications and Summary

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Os conversores DC/DC são muito comuns em fontes de alimentação DC usadas para carregar eletrônicos e fornecer energia para muitos outros circuitos eletrônicos. Por exemplo, qualquer motor acionamento exigirá algumas fontes de alimentação dc menores para alimentar seus eletrônicos de baixa potência, circuitos de proteção e unidades de portão de alta potência. Processadores de computador e outros periféricos e acessórios requerem tensões DC muito bem reguladas que são fornecidas pelas fontes de alimentação DC. Sistemas de energia renovável, por exemplo, painéis solares fotovoltaicos, exigem conversores DC/DC para regular a tensão de saída DC dos painéis, uma vez que a irradiação solar e a temperatura ambiente variam causando variação nas saídas de tensão e corrente do painel solar. Muitos mais aplicações industriais, de transporte, militares e outras usam conversores DC/DC em vez de reguladores lineares devido à sua alta eficiência, alto desempenho e excelente regulação.

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Transcript

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