Neste post tentamos entender o método de dimensionamento ou cálculo de indutores em circuitos conversores buck boost para garantir um ótimo desempenho desses dispositivos.
Tomamos o exemplo das tipologias de conversor boost IC 555 e conversor buck IC 555 e tentamos entender as técnicas de otimização por meio de equações e ajustes manuais, para obter a resposta de saída mais ideal desses projetos de conversores.
Em alguns dos meus posts anteriores, estudamos de forma abrangente sobre como funcionam os conversores SMPS buck e boost, e também deduzimos algumas fórmulas fundamentais para avaliar os parâmetros importantes como tensão, corrente e indutância nesses circuitos conversores.
Você pode resumir os detalhes dos artigos a seguir, antes de embarcar no presente artigo que trata dos métodos de projeto de indutores.
Como funcionam os conversores Boost
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Equações Básicas do Buck Boost
Para calcular indutores em circuitos SMPS buck boost, podemos derivar as seguintes duas fórmulas conclusivas para um conversor buck e para um conversor boost, respectivamente:
Vo = DVin ———- Para Buck Converter
Vo = Vin / (1 – D) ———- Para Conversor Boost
Aqui D = Ciclo de trabalho, que é = Tempo do transistor ligado / tempo ligado + desligado de cada ciclo PWM
Vo = Tensão de saída do conversor
Vin = Tensão de alimentação de entrada para o conversor
Das fórmulas derivadas acima, podemos entender que os 3 parâmetros básicos que podem ser usados para dimensionar a saída em um circuito baseado em SMPS são:
Parâmetros principais associados ao conversor Buck Boost
1) O ciclo de trabalho
2) O tempo de ligar/desligar do transistor
3) E o nível de tensão de entrada.
Isso implica que, ajustando adequadamente qualquer um dos parâmetros acima, torna-se possível adaptar a tensão de saída do conversor. Este ajuste pode ser implementado manualmente ou automaticamente através de um circuito PWM autoajustável.
Embora as fórmulas acima expliquem claramente como otimizar a tensão de saída de um conversor buck ou boost, ainda não sabemos como o indutor pode ser construído para obter uma resposta ideal nesses circuitos.
Você pode encontrar muitas fórmulas elaboradas e pesquisadas para resolver esse problema, no entanto, nenhum novato ou entusiasta da eletrônica estaria interessado em realmente lutar com essas fórmulas complexas para os valores necessários, que poderiam realmente ter mais possibilidades de fornecer resultados errôneos devido às suas complexidades .
A ideia melhor e mais eficaz é “calcular” o valor do indutor com uma configuração experimental e através de algum processo prático de tentativa e erro, conforme explicado nos parágrafos seguintes.
Configurar um conversor Boost usando IC 555
Um projeto simples de conversor boost e buck baseado em IC 555 é mostrado abaixo, o qual pode ser usado para determinar o melhor valor de indutor possível para um circuito conversor boost SMPS específico.
O indutor L pode ser feito inicialmente arbitrariamente.
A regra geral é usar o número de voltas um pouco maior que a tensão de alimentação, portanto, se a tensão de alimentação for 12V, o número de voltas pode ser de cerca de 15 voltas.
- Ele deve ser enrolado sobre um núcleo de ferrite adequado, que pode ser um anel de ferrite ou uma haste de ferrite, ou sobre um conjunto de núcleo EE.
- A espessura do fio é determinada pelo requisito de amplificador que inicialmente não será um parâmetro relevante, portanto, qualquer fio esmaltado de cobre relativamente fino funcionaria, pode ser em torno de 25 SWG.
- Mais tarde, de acordo com as especificações atuais do projeto pretendido, um maior número de fios pode ser adicionado em paralelo ao indutor enquanto o enrola para torná-lo compatível com a classificação de amperagem especificada.
- O diâmetro do indutor dependerá da frequência, uma frequência mais alta permitiria diâmetros menores e vice-versa. Para ser mais preciso, a indutância oferecida pelo indutor aumenta à medida que a frequência aumenta, portanto, esse parâmetro precisará ser confirmado por meio de um teste separado usando a mesma configuração do IC 555.
Conversor Boost de Diagrama de Circuito
Otimizando os controles do potenciômetro
A configuração acima mostra um circuito IC 555 PWM básico, que é equipado com potenciômetros separados para habilitar uma frequência ajustável e uma saída PWM ajustável em seu pino 3.
O pino 3 pode ser visto conectado a uma configuração de conversor boost padrão usando o transistor TIP122, o indutor L, o diodo BA159 e um capacitor C.
O transistor BC547 é introduzido para limitar a corrente através do TIP122 para que durante o processo de ajuste quando os potenciômetros estão sendo ajustados o TIP122 nunca seja permitido cruzar o ponto de ruptura, assim o BC547 protege o TIP122 de corrente excessiva e torna o procedimento seguro e infalível para o usuário.
A tensão de saída ou a tensão de reforço é monitorada em C para uma resposta ideal máxima durante todo o processo de teste.
O conversor boost IC 555 pode ser otimizado manualmente através das seguintes etapas:
- Inicialmente, defina o potenciômetro PWM para produzir o PWM mais estreito possível no pino 3, e a frequência é ajustada para cerca de 20kHz.
- Pegue um multímetro digital fixado acima da faixa de 100 V DC e conecte os bastões em C com a polaridade apropriada.
- Em seguida, ajuste gradualmente o potenciômetro PWM e monitore enquanto a tensão em C continuar a subir. No momento em que você encontrar esta queda de tensão, restaure o ajuste para a posição anterior que produziu a tensão mais alta possível no potenciômetro e fixe esta posição do potenciômetro/preset como o ponto ideal para o indutor selecionado.
- Depois disso, ajuste o potenciômetro de frequência de forma semelhante para otimizar ainda mais o nível de tensão em C e defina-o para atingir o ponto de frequência mais eficaz, para o indutor selecionado.
- Para determinar o ciclo de trabalho, pode-se verificar a relação de resistência do potenciômetro PWM, que seria diretamente proporcional à relação de espaço de marca do ciclo de trabalho de saída do pino 3.
- O valor de frequência pode ser aprendido através de um medidor de frequência ou usando a faixa de frequência em um determinado DMM, se ele tiver a facilidade, isso pode ser verificado no pino 3 do IC.
Seus parâmetros do indutor agora são determinados e podem ser usados para qualquer conversor boost para obter a melhor resposta ideal.
Determinando a corrente para o indutor
A especificação de corrente do indutor pode ser aumentada simplesmente usando muitos fios paralelos enquanto o enrola, digamos, por exemplo, você pode usar cerca de 5 nós de fios 26SWG em paralelo para capacitar o indutor a lidar com 5 amperes de corrente. e assim por diante.
O próximo diagrama mostra o processo de otimização e cálculo de indutores em SMPS, para uma aplicação de conversor buck.
Conversor Buck de Diagrama de Circuito
O mesmo processo se aplica a esta configuração também, como foi feito com o projeto do conversor boost explicado acima.
Como pode ser visto, o estágio de saída agora é alterado com um conversor buck configurado, os transistores agora são substituídos por tipos PNP e as posições do indutor, diodo alterados adequadamente.
Assim, usando os dois métodos acima, qualquer pessoa pode determinar ou calcular indutores em circuitos buck boost smps sem usar fórmulas complexas e inviáveis.
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FONTE
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