Projetando conversor de reforço não isolado de circuito aberto com tensão de saída ajustável (parte 3/12)

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 aberta projetado no tutorial anterior tinha uma tensão de saída fixa correspondente ao nível de tensão de entrada. A tensão de saída do circuito pode ser variável, puxando a saída através de um resistor variável. A tensão de saída neste circuito ainda permanece não regulada porque nenhum feedback é usado.

Portanto, neste tutorial, um conversor boost não isolado de malha aberta 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 aumentará de 5V DC para 12V DC com um 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.

Neste projeto, um conversor boost de malha aberta operando no modo CCM é projetado e os valores dos componentes de acordo com as equações padrão do CCM são calculados para a saída desejada.

O conversor boost projetado neste tutorial terá os seguintes parâmetros de projeto –

Tensão de entrada, Vin–Uma bateria de íon-lítio 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 12V.

Corrente máxima de saída, Iout (máx.) –O limite máximo da corrente de saída será de 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 –

Vout = Iout(máx)*RL(máx)

RL(máx) = Vout/Iout(máx)

Colocando todos os valores,

RL = 240E

Agora a potência nominal da resistência pode ser calculada da seguinte forma – P = (Vout)2/(RL(max))

Colocando todos os valores,

Faneca = 2,4W

Assim, uma resistência com valor 240E e potência equivalente ou superior a 2,4W será utilizada 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 –

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.

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 na porta 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 12V

Vin = Tensão de entrada, 3,5 V

Como a tensão de saída varia de 5V a 12V, o ciclo de trabalho será calculado tanto para 5V quanto para 12V.

Para saída de 5V,

Para Vo(min) = 5V

D(min)% = (1-(3,5/5))*100

D(min)% = 30% (aprox.)

e para saída de 12V,

Para Vo(máx.) = 12V

D(máx.)% = (1-(3,5/12))*100

D(máx.)% = 70% (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 50%. 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.

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 11,5 mH 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.

Um indutor de valor apropriado deve ser usado no circuito. O valor do indutor pode ser calculado como a equação CCM –

Io (min) = Valor crítico da corrente de saída para manter uma tensão regulada na saída.

Assumindo Io (min) = 10mA

Vo(máx.) = 12V

Colocando todos os valores na equação acima,

Lmin>= 7,5 mH

Como o indutor pode ser maior que o valor calculado, é por isso que um indutor de valor padrão de 11,5 mH é usado no circuito.

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 CCM –

Para Vout = 12V

C min>= (Io (máx) * D(máx))/ (Fs*dVo)

Corrente máxima na saída, Io (máx) = 100mA

Ciclo de trabalho, D(máx.)= 0,7

F = 10kHz

Tensão de ondulação de saída desejada, dVo

Suponha que dVo = 100mV

Colocando todos os valores na equação acima,

Cmin>= (0,01 * 0,7)/ 10000*0,01

Cmin>= 70uF

Este é o valor mínimo do capacitor necessário. No circuito é utilizado um capacitor de valor padrão de 100 uF.

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. Então, girando o botão de potenciômetroa tensão de saída pode ser variada conforme a necessidade.

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.

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.

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.

Neste circuito, um resistor variável é adicionado ao circuito do conversor boost de malha aberta 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.

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 70 por cento, foram feitas as seguintes observações –

Assim, pode-se observar que uma corrente de 11,7 mA pode ser consumida na saída com limite de tolerância de +/-0,5V.

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 –

Assim, pode-se observar que uma corrente de 9,1mA pode ser consumida na saída com limite de tolerância de +/-0,5V.

A tensão sem carga em ambos os casos é alta. Como não há nenhum circuito de feedback adicionado no projeto que possa regular a tensão de saída.

Conforme assumido, a corrente máxima de saída deve ser 100mA para 24V e 5V. Esta queda de tensão é devida às perdas no circuito, como perdas de comutação e condução do diodo e MOSFET, perdas nos enrolamentos que circundam o núcleo do indutor, perdas por correntes parasitas e perdas por histerese no indutor, perdas no capacitor devido ao ESR (equivalente resistência em série) e perdas devido a Rds(on) de N-MOS.

A eficiência de energia do circuito pode ser calculada da seguinte forma –

Para ciclo de trabalho de 70%, a corrente de saída máxima é 11,7mA

Eficiência% = (Pout/Pin)*100(Potência de saída) Pout = Vout*Iout

(Tensão de saída) Vout = 11,8 V

(Corrente de saída) Iout = 11,79 mA

Pout = 139 mW (aprox.)

(Potência de entrada) Pino = Vin*Iin

(Tensão de entrada) Vin = 3,7 V

(Corrente de entrada) Iin = 42 mA (medida a corrente de entrada usando amperímetro)

Pino = 155 mW (aprox.)

Colocando todos os valores,

Eficiência% = 89%

Pode-se ver que existem certas limitações deste circuito. A tensão de saída neste circuito não é regulada, ela varia para diferentes resistências de carga. Isso pode ser melhorado adicionando um circuito de feedback que ajuda a regular a tensão de saída. Um Boost Converter com circuito de feedback e saída ajustável é projetado no próximo tutorial. Em segundo lugar, a eficiência deste projeto de conversor boost é de 89% devido às perdas de potência no circuito.

Este é um conversor boost de malha aberta com saída não isolada e operando no modo CCM. 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.

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//Program to 


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

////// Output Voltage Adjustment from 5V to 12V ////////


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

#define CMP_VALUE_HALF_DUTY 799           // 50% duty cycle

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

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

float Mapping_output_voltage ;            // function declaration  


float Mapping_output_voltage {                            
// function definition 

 int Input_Read = analogRead(Inputpin);                     
//reading analog voltage from potentiometer and converting it to digital values in between 0 to 1023

 float Compare_voltage = (((Input_Read*(1.0)/1024)*7)+5);   
// mapping the digital value into analog volatge of 0 to 12

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

}


void setup  {

  // put your setup code here, to run once:

 pinMode(PWM,OUTPUT);                        
//set 9 pin as output 

 pinMode(Inputpin,INPUT);                    
// set A4 pin as input

 TCCR1A = 0;                                 
//reset the register

 TCCR1B = 0;                                 
//reset the register

 TCNT1 = 0;                                   
//reset the register

 TCCR1A  = (1<