Projetando conversor de reforço não isolado de circuito fechado com saída ajustável (parte 4/12)

Em um dos tutoriais anteriores, foi projetado um conversor boost de malha fechada SMPS com tensão de saída fixa. Nesta série, os seguintes circuitos SMPS são projetados –
1. Conversores de reforço –
a) Conversor de reforço de loop aberto
b) Conversor de reforço de circuito fechado
c) Conversor Open Loop Boost com saída ajustável
d) Conversor Boost de Loop Fechado com Saída Ajustável
2. Conversores Buck –
a) Conversor Buck de Loop Aberto
b) Conversor Buck de circuito fechado
c) Conversor Buck de Loop Aberto com Saída Ajustável
d) Conversor Buck de circuito fechado com saída ajustável
3. Conversores Buck-Boost
a) Buck Inversor de Loop Aberto – Conversor Boost
b) Buck Inversor de Loop Aberto – Conversor Boost com Saída Ajustável
4. Conversor Flyback
5. Conversor push-pull
O conversor boost de malha fechada projetado no tutorial anterior tinha uma tensão constante e regulada na saída, mas não podia ser variada. Para uma saída estável, o conversor Boost possuía um circuito de detecção de erros. A detecção de erros foi feita adicionando um circuito de feedback que verifica continuamente o erro na tensão de saída e fornece uma tensão regulada na saída. Para tornar a saída do circuito ajustável, ela deve ser passada através de um resistor variável. Este conversor boost de circuito fechado não só tinha um circuito de feedback, mas sua saída também era ajustável.
Portanto, neste tutorial, um conversor boost não isolado de malha fechada é projetado. O conversor boost pode ser projetado de duas maneiras-
Conversor boost de malha aberta – No conversor boost de malha aberta, não há feedback da saída para a entrada, ao contrário do circuito fechado que possui um circuito de feedback. Portanto, a saída de um conversor boost de malha aberta não é regulada.
Conversor boost de malha fechada – No conversor boost de malha fechada, há um feedback da saída para a entrada. Portanto, a saída de um conversor boost de malha fechada é regulada.
Existem certos parâmetros de projeto envolvidos no projeto do conversor boost. É importante compreender esses parâmetros de projeto. Qualquer conversor boost pode operar em qualquer um dos dois modos de operação possíveis. Esses modos de operação são os seguintes –
Modo de Condução Contínua (CCM)- No CCM, a corrente no indutor é contínua durante todo o ciclo do período de comutação. Assim, uma tensão regulada na saída é obtida, mas a saída é regulada somente se a corrente for consumida dentro dos limites do CCM.
Modo de condução descontínua (DCM)- Neste modo, a corrente no indutor está pulsando e torna-se zero durante uma parte do tempo de comutação. Portanto, uma tensão regulada não é recebida no DCM. Porém, a tensão pode ser regulada conectando um circuito de feedback da saída à entrada.
Neste tutorial, um conversor boost não isolado é projetado, o que significa que a entrada e a saída compartilham o mesmo aterramento. O conversor boost projetado neste projeto terá uma tensão de saída variando de 5V DC a 9V DC com limite de tolerância de +/-0,5V. Uma vez projetado e montado o circuito, o valor da tensão e corrente de saída será observado por meio de um multímetro. Esses valores indicarão a eficiência do conversor boost projetado no projeto.

Componentes necessários

Lista de componentes necessários para o conversor ajustável de reforço de circuito fechado
Fig. 1: Lista de componentes necessários para o Conversor Boost de Malha Fechada Ajustável

Diagrama de bloco –

Diagrama de blocos do conversor de reforço de circuito fechado ajustável
Fig. 2: Diagrama de blocos do conversor de reforço de malha fechada ajustável

Conexões de Circuito –

Neste projeto, um conversor boost de malha fechada operando no modo DCM é projetado e os valores dos componentes de acordo com as equações padrão do DCM são calculados para a saída desejada.
O conversor boost projetado neste tutorial terá os seguintes parâmetros de projeto –
Tensão de entrada, Vin– Uma bateria Li-ion de 3,7V será usada como fonte. A tensão da bateria será a tensão de entrada.
Faixa de tensão de saída, Vout – A tensão na saída será ajustável entre 5V e 9V.
Corrente máxima de saída, Iout (máx.)–O limite máximo da corrente de saída será 100 mA. O limite crítico da corrente de saída será de 10mA.
Tensão de ondulação de saída (dV) – A ondulação máxima da tensão de saída assumida na saída será de 100mV.
Resistência de carga – Neste circuito será conectada uma resistência na saída que atuará como carga para o circuito. O valor máximo da resistência pode ser calculado pela lei de Ohm, que é a seguinte –
Para Vout = 9V
Vout = Iout(máx.)*RL
RL(máx) = Vout/Iout(máx)
Colocando todos os valores,
RL = 90E
Agora a potência nominal da resistência pode ser calculada da seguinte forma – P = (Vout)2/(RL)
Colocando todos os valores,
Beicinho = 0,9W
Para Vout = 5V
Vout = Iout(máx.)*RL
RL(máx) = Vout/Iout(máx)
Colocando todos os valores,
RL = 50E
Agora a potência nominal da resistência pode ser calculada da seguinte forma – P = (Vout)2/(RL)
Colocando todos os valores,
Beicinho = 0,5W
Portanto, um resistor variável com a faixa de resistência disponível conforme calculado acima será usado como carga na saída para máxima eficiência.
Frequência (Fs)– A frequência do sinal PWM gerado pelo microcontrolador não deve ser muito alta ou baixa, portanto uma frequência de 10 KHz é selecionada para operar os componentes de comutação do circuito. O valor da frequência é assumido.
O conversor boost possui os seguintes blocos de circuito –

1. Fonte CC –

Uma bateria de íon-lítio de 3,7 V é usada como fonte de alimentação de entrada no circuito. A própria tensão da bateria é a tensão de entrada no circuito.

2. Controlador e mecanismo de comutação –

Um oscilador é usado para gerar um sinal modulado por largura de pulso (PWM) de uma frequência desejada. Neste conversor boost, o Arduino UNO é usado para gerar o sinal PWM, portanto, a placa Arduino atua como um oscilador. O sinal PWM é um trem de pulso usado para ligar e desligar o MOSFET. O MOSFET é usado como transistor de comutação no circuito.
Para fins de comutação, um transistor e um diodo são usados ​​como componentes de comutação. Para a seleção do transistor, o MOSFET é escolhido, pois os FETs são conhecidos por sua rápida velocidade de comutação e baixo RDS (ON) (dreno para resistência da fonte no estado ON). Portanto, um MOSFET FDS7088N3 de canal N (mostrado como Q1 no diagrama de circuito) é conectado paralelamente à fonte DC de entrada que atua como uma chave no circuito, pois sua tensão limite é muito baixa, em torno de 2V. Portanto, pode ser facilmente acionado por uma bateria de 3,7V. No estado ON o Vds do MOSFET FDS7088N3 também é muito baixo, o que reduz a dissipação de energia do nosso circuito.
Para ligar e desligar o MOSFET, um trem de pulso deve ser aplicado ao seu portão. Para isso, a placa controladora gera um sinal modulado por largura de pulso de 10kHz. Este sinal PWM é usado para ligar e desligar o MOSFET. Para gerar o sinal PWM do controlador, um esboço do Arduino foi gravado na placa. Este esboço do Arduino pode ser baixado da seção de código.
Deve-se notar que o tempo de comutação do MOSFET e do diodo deve ser menor que o tempo de subida e descida da onda PWM. Uma resistência porta-fonte deve ser usada para evitar qualquer disparo indesejado do MOSFET por ruído externo. Também ajuda a desligar rapidamente o MOSFET, descarregando sua capacitância parasita.
Um valor baixo do resistor (10E a 500E) deve ser conectado no o portão do MOSFET. Isso resolverá o problema de toque (oscilações parasitas) e corrente de pico no MOSFET. O nível de tensão do sinal PWM deve ser maior que a tensão limite do MOSFET. Para que o MOSFET possa ser LIGADO totalmente com RDS mínimo (ON). Deve haver um dissipador de calor montado com o MOSFET para dissipar o excesso de calor, caso contrário o FET pode ser danificado.
Outro componente de comutação usado no circuito é um diodo. O tempo de comutação do diodo deve ser menor que o tempo de subida e descida da onda PWM. A placa Arduino gera uma onda PWM com tempo de subida de 110ns e tempo de queda de 90ns. A queda de tensão direta do diodo também deve ser muito baixa, caso contrário dissipará energia, o que reduzirá ainda mais a eficiência do circuito. O diodo deve oferecer baixa queda de tensão na polarização direta e o RDS (ON) do MOSFET deve ser baixo. Portanto, neste experimento, é selecionado um diodo BY399 que melhor se adapta ao projeto do circuito.
Antes de gerar o sinal PWM, a frequência de comutação do circuito precisa ser decidida. Para este conversor boost, uma frequência de comutação de 10kHz é selecionada, o que funcionará bem neste projeto de conversor.
O ciclo de trabalho do sinal PWM gerado é outra consideração importante, pois decidirá o estado ativo do MOSFET. O ciclo de trabalho pode ser calculado da seguinte forma –
D% = 1- (Vin/Vo)*100
Vo=Tensão de saída desejada, 5V a 9V
Vin = Tensão de entrada, 3,5 V
Como a tensão de saída varia de 5V a 9V, o ciclo de trabalho será calculado tanto para 5V quanto para 9V.
Para Vo(min) = 5V
D(min)% = (1-(3,5/5))*100
D(min)% = 30% (aprox.)
Para Vo(máx.) = 9V
D(máx.)% = (1-(3,5/12))*100
D(máx.)% = 60% (aprox.)
Um capacitor e um resistor de valor apropriado devem ser usados ​​para gerar a frequência de 10 kHz e o ciclo de trabalho de 30% a 60%. Quanto maior for a frequência selecionada para os componentes de comutação, maiores serão as perdas de comutação. Isso diminui a eficiência do SMPS. Mas a alta frequência de comutação reduz o tamanho do elemento de armazenamento de energia e melhora a resposta transitória da saída.

3. Elemento de armazenamento de energia –

Um indutor é usado para armazenar energia elétrica na forma de campo magnético. Portanto, o indutor atua como um elemento de armazenamento de energia. Um indutor de valor de 200 uH é usado no circuito. Para um indutor, pode ser usada uma bobina secundária ou primária de um transformador, uma bobina de relé ou qualquer indutor padrão que tenha o valor de indutância desejado.

4. Elemento de filtragem de saída –

Como elemento de filtragem, um capacitor (mostrado como C1 no diagrama do circuito) é usado na saída do circuito. Na operação normal do circuito Boost, o transistor Q1 liga e desliga de acordo com a frequência do circuito oscilador. Isso gera um trem de pulso no indutor L1 e no capacitor C1, bem como no transistor Q1. Como o capacitor é conectado ao indutor apenas no ciclo negativo do sinal PWM, isso forma um filtro LC que filtra o trem do pulso para produzir uma CC suave na saída. O valor do capacitor pode ser calculado usando a seguinte equação de DCM –
Capacitor C >= (Io(máx) * (1- (2*L1*Fs/RL(máx))1/2))/ (Fs*dV)
Para RL = 90E, colocando todos os valores na equação acima,
C1 >= (0,1*(1-(2*200*10-6*10.000/90) 1/2))/ (10.000*0,1)
C1 >= 78uF
Como o capacitor pode ser maior que o valor calculado, qualquer capacitor com valor equivalente a 78uF ou superior a 78uF pode ser usado.
Como é o valor mínimo de capacitor necessário, então no circuito é utilizado um capacitor de valor padrão que pode estar facilmente disponível, portanto, é utilizado um capacitor de 100 uF.

5. Circuito de feedback –

No tutorial anterior, foi visto que sem nenhum circuito de realimentação era recebida uma alta tensão na saída quando não havia carga conectada. Quando qualquer carga na saída foi conectada, a tensão de saída caiu abaixo da tensão de saída desejada. portanto, houve necessidade de regular a tensão de saída conectando um circuito de feedback.
Portanto, neste circuito, é fornecido um feedback do terminal de saída para o terminal de entrada que regula a tensão de saída mesmo quando não há carga presente na saída. O circuito de Feedback deve calcular o erro na tensão e então o microcontrolador ajustar automaticamente a tensão de saída de acordo com a tensão desejada. Este ajuste da tensão de erro é gerenciado pelo esboço do Arduino em execução na placa.
Para fornecer feedback, uma escada de resistores é usada na saída (conforme mostrado no diagrama do circuito). Para calcular o valor da rede de resistores, a tensão máxima de saída do circuito em malha aberta deve ser conhecida quando nenhuma carga estiver conectada à saída. Essa será a tensão de saída desejada que deve alimentar da rede divisora ​​de resistores para o pino analógico do controlador (conforme mostrado no diagrama do circuito). A tensão de saída deve ser igual a 5,2 V, pois o microcontrolador fornece 5,2 V como tensão de referência. O valor da rede de resistores pode ser calculado da seguinte forma-
Diagrama de circuito da escada resistiva usada como feedback no conversor de reforço de malha fechada
Fig. 3: Diagrama de circuito da escada resistiva usada como feedback no conversor boost de malha fechada

De acordo com a regra do divisor de resistores –

Vr = Vo*(R4/R3+R4)
Onde,
Vr = saída desejada para o pino analógico
Vo = tensão de saída do conversor boost de malha aberta sem carga.
Foi observado que os valores de Vr e Vo são –
Vo = 20V
Como o potenciômetro é alimentado por uma fonte de 3,3V, então, Vr= 3,3V. Isso corresponderá à escala de feedback com o potenciômetro.
Assumindo R3 = 500E agora R4 é –
3,3 = 20*(R4/500+R4)
R4 = 100E (aprox.)
Então R3 = 500E e R4 = 100E
Agora, a potência nominal da resistência R3 e R4 pode ser calculada da seguinte forma –
(Para R3),P3 = (Vo-Vr)2/(R3)
Colocando todos os valores,
P3 = 0,5W (aprox.)
(Para R4), P4 = (Vr)2/(R4)
Colocando todos os valores,
P4 = 0,1 (aprox.)

6. Ajuste da tensão de saída –

Para variar a tensão de saída é utilizado um potenciômetro na saída do circuito (conforme mostrado no diagrama do circuito). O potenciômetro é alimentado pela bateria e então o pino analógico do microcontrolador detecta a tensão do potenciômetro. Após detectar a tensão, o microcontrolador ajusta o ciclo de trabalho de acordo com a tensão de saída desejada. Assim, girando o botão do potenciômetro, a tensão de saída pode ser variada conforme a necessidade.

Como funciona o circuito –

Qualquer SMPS possui alguns componentes de comutação que ligam e desligam em alta frequência e possui algum componente de armazenamento que armazena a energia elétrica enquanto os componentes de comutação estão em estado de condução e descarregam a energia armazenada para o dispositivo de saída enquanto os componentes de comutação estão em não condução. estado.
Um conversor Boost simples consiste no indutor (L), um diodo (D), um capacitor (C) e um transistor onde o transistor atua como uma chave. No circuito boost, quando a chave está fechada, ou seja, o componente de comutação está em estado de condução, o indutor começa a gerar um campo magnético e armazena energia. A energia armazenada no indutor aumenta a tensão de saída em comparação com a tensão de entrada.
Quando a corrente começa a fluir através do componente de comutação, pois seu caminho é menos resistivo em comparação com o caminho em paralelo que contém o capacitor e a carga de saída, o indutor gera uma polaridade positiva em seu terminal esquerdo e negativa no terminal direito. Devido à mudança na polaridade, o diodo fica polarizado reversamente. Nesta condição, o capacitor, que foi carregado no ciclo anterior, fornece corrente para a carga enquanto o componente de chaveamento entra em estado de não condução ou abre entre o terra.
Diagrama de circuito mostrando o estado LIGADO do componente de comutação no conversor Boost
Fig. 4: Diagrama de circuito mostrando o estado LIGADO do componente de comutação no conversor Boost
Quando a chave está aberta, a corrente é reduzida à medida que a impedância aumenta, de modo que o campo magnético gerado no indutor começa a entrar em colapso e a polaridade do indutor inverte. Isso torna o diodo polarizado diretamente e o capacitor agora começa a carregar com uma tensão maior que a tensão de entrada. Como a entrada agora possui duas fontes em série, uma é o indutor e a outra é a bateria. Portanto, a tensão de saída é sempre maior que a tensão de entrada.
Diagrama de circuito mostrando o estado desligado do componente de comutação no conversor Boost
Fig. 5: Diagrama de circuito mostrando o estado DESLIGADO do componente de comutação no conversor Boost
Portanto, no estado LIGADO, o Diodo estava em Modo de Bloqueio (DESLIGADO) e o Transistor estava LIGADO. No estado OFF, o Diodo estava em modo de condução (ON) e o Transistor estava OFF.
Então, pode-se dizer que o Boost Converter possui dois componentes de chaveamento – um é o transistor e outro é o diodo. Por vez, apenas um dos componentes de comutação conduz, ou seja, está no estado LIGADO, enquanto o outro entra no estado de não condução, ou seja, entra no estado DESLIGADO.
É assim que qualquer conversor boost funciona. O conversor boost projetado neste projeto é fechado, ou seja, um circuito de realimentação é adicionado a ele. O feedback é fornecido através de uma rede divisora ​​de tensão. A tensão de saída é detectada pela escada do resistor divisor de tensão e fornecida a um dos pinos do microcontrolador. A placa microcontroladora utilizada no projeto é o Arduino. O canal ADC integrado do Arduino converte a tensão detectada em uma leitura digitalizada.
O Arduino está programado para comparar a tensão de saída com uma tensão de referência e a diferença entre as duas é a tensão de erro. Para compensar o erro de tensão, o Arduino é programado para alterar o ciclo de trabalho do sinal PWM que controla o circuito do transistor. Ao alterar o ciclo de trabalho do sinal PWM, a tensão de saída é modificada para a saída desejada. Devido à presença de um resistor variável na saída, a tensão de saída pode variar dentro da faixa desejada.

Testando o circuito –

Neste circuito, um resistor variável é adicionado ao circuito do conversor boost de malha fechada para tornar a tensão de saída ajustável. O esboço do Arduino também é modificado para alterar o ciclo de trabalho do sinal PWM de acordo com a entrada de tensão do resistor variável.
Protótipo de conversor de reforço de circuito fechado projetado em uma placa de ensaio
Fig. 6: Protótipo de conversor de reforço de circuito fechado projetado em uma placa de ensaio
No circuito, Tensão da Bateria, Vbat/Vin = 3,7V
Ao medir valores de tensão e corrente com diferentes cargas na saída quando o ciclo de trabalho está definido para 60 por cento, foram feitas as seguintes observações –
Tabela que lista a tensão e a corrente de saída do conversor de reforço de circuito fechado ajustável para diferentes cargas a 60 por cento do ciclo de trabalho
Fig. 7: Tabela listando a tensão e a corrente de saída do Conversor Boost de Malha Fechada Ajustável para diferentes cargas com ciclo de trabalho de 60 por cento
Assim, pode-se observar que uma corrente de 100 mA pode ser consumida na saída com limite de tolerância de +/-0,5V.
Imagem mostrando o conversor de reforço de circuito fechado em teste
Fig. 8: Imagem mostrando o conversor Closed Loop Boost em teste
Ao medir valores de tensão e corrente com diferentes cargas na saída quando o ciclo de trabalho está definido para 30 por cento, foram feitas as seguintes observações –
Tabela que lista a tensão e a corrente de saída do conversor de reforço de circuito fechado ajustável para diferentes cargas a 30 por cento do ciclo de trabalho
Fig. 9: Tabela listando a tensão e a corrente de saída do Conversor Boost de Malha Fechada Ajustável para diferentes cargas com ciclo de trabalho de 30 por cento
Assim, pode-se observar que uma corrente de 100 mA pode ser consumida na saída com limite de tolerância de +/-0,5V.
A eficiência de energia do circuito pode ser calculada da seguinte forma –
Para ciclo de trabalho de 60%, a corrente de saída máxima é 100mA
Eficiência% = (Pout/Pin)*100(Potência de saída) Pout = Vout*Iout
(Tensão de saída) Vout = 9,1 V
(Corrente de saída) Iout = 100 mA
Pout = 910 mW (aprox.)
(Potência de entrada) Pino = Vin*Iin
(Tensão de entrada) Vin = 3,7 V
(Corrente de entrada) Iin = 270 mA (medida a corrente de entrada usando amperímetro)
Pino = 1000 mW (aprox.)
Colocando todos os valores,
Eficiência% = 90%
Pode-se observar que ao utilizar um circuito de realimentação, a eficiência do conversor boost aumenta de 89% (conforme calculado no tutorial anterior) para 90%.
Este é um conversor boost de malha fechada com saída não isolada e operando no modo DCM. Ele pode ser usado como regulador de comutação para drivers de LED e como fonte de alimentação CC regulada. Ele pode ser usado para fornecer energia a dispositivos eletrônicos portáteis de baixa potência. Em aplicações alimentadas por bateria, quando há restrição de espaço para empilhar o número de baterias em série para atingir alta tensão, este conversor boost pode ser usado com menor número de baterias para fornecer energia CC.
Este conversor boost é simples de projetar e usa componentes baratos. Pode ser facilmente montado em pouco tempo. O circuito possui saída variável e pode ser alimentado por bateria de 3,5V. Porém, a tensão mínima da bateria não deve ser inferior a 3,5 V, caso contrário o microcontrolador não será alimentado.

Código-fonte do projeto

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//Program to 


////// Code for Closed Loop Boost converter with variable output voltage ////////

////// Output Voltage Adjustment from 5V to 9V ////////


#define TOP 1599                                         // Fosc = Fclk/(N*(1+TOP)); Fclk = 16MHz, Fosc = 10kHz

#define CMP_VALUE_HALF_DUTY 799                           // 50% duty cycle

#define FeedbackPin A4                                    // Input pin of potentiometer at A4

#define Inputpin A5                                       // feedback pin of potentiometer at A5

#define R1plusR2_resistor 6.0                             // variable of R1+R2 value

#define R1_resistor 1.0                                   // variable of R1 value

#define PWM 9                                            // PWM(Pulse Width Modulation) wave at pin 9 


//// function declaration  

float Map_feedback(float);                                //function to map feedback values

float Mapping_output_voltage(float);                      //function to map potentiometer values

void InitADC(void) ;                                      // Function to start ADC conversion

uint16_t ReadADC(uint8_t);                                 // function to read Analog value


 ///// function definition   ////////

float Mapping_output_voltage(float Input_Read ){              

  

float Compare_voltage = (((Input_Read*(1.0)/1024)*4)+5);      

// mapping the digital value into analog volatge of 5V to 9V


return(Compare_voltage);                                       // return the calculated output voltage

}


void InitADC(void){                                            


ADMUX &= ~((1< Compare_voltage_input)        

//comparing actual output voltage with desired output voltage to find error in voltage    


  {

    OCR1A --;                                             // if error is positive the duty cycle is decreased  

  }

  else if(actual_output_voltage < Compare_voltage_input)

  {

  OCR1A ++;                                            // if error is negative the duty cycle is increased 

  }

}

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Diagramas de circuito

Circuito-Diagrama-Ajustável-Loop-Fechado-Boost-Conversor

Vídeo do projeto

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