Diseño de un convertidor elevador no aislado de bucle abierto con voltaje de salida ajustable (parte 3/12)

En uno de los tutoriales anteriores, se diseñó el convertidor boost de bucle abierto SMPS. En esta serie, se diseñan los siguientes circuitos SMPS:
1. Impulsar los convertidores –
a) Convertidor elevador de bucle abierto
b) Convertidor elevador de circuito cerrado
c) Convertidor Boost de bucle abierto con salida ajustable
d) Convertidor elevador de circuito cerrado con salida ajustable
2. Convertidores de dólares –
a) Convertidor reductor de bucle abierto
b) Convertidor reductor de circuito cerrado
c) Convertidor reductor de circuito abierto con salida ajustable
d) Convertidor reductor de circuito cerrado con salida ajustable
3. Convertidores Buck-Boost
a) Inversor reductor de bucle abierto – Convertidor elevador
b) Inversor reductor de circuito abierto: convertidor elevador con salida ajustable
4. Convertidor de retorno
5. Convertidor push-pull
El convertidor elevador de bucle abierto diseñado en el tutorial anterior tenía un voltaje de salida fijo correspondiente al nivel de voltaje de entrada. El voltaje de salida del circuito puede ser variable pasando la salida a través de una resistencia variable. El voltaje de salida en este circuito aún permanece sin regular porque no se utiliza retroalimentación.
Por lo tanto, en este tutorial, se diseña un convertidor elevador no aislado de bucle abierto. El convertidor elevador se puede diseñar de dos maneras:
Convertidor elevador de bucle abierto: en el convertidor elevador de bucle abierto, no hay retroalimentación de la salida a la entrada, a diferencia del circuito cerrado que tiene un circuito de retroalimentación. Por lo tanto, la salida de un convertidor elevador de bucle abierto no está regulada.
Convertidor elevador de circuito cerrado: en el convertidor elevador de circuito cerrado, hay retroalimentación desde la salida a la entrada. Por lo tanto, se regula la salida de un convertidor elevador de circuito cerrado.
Hay ciertos parámetros de diseño involucrados en el diseño del convertidor elevador. Es importante comprender estos parámetros de diseño. Cualquier convertidor elevador puede funcionar en cualquiera de los dos modos de funcionamiento posibles. Estos modos de operación son los siguientes:
Modo de conducción continua (CCM): en CCM, la corriente en el inductor es continua durante todo el ciclo del período de conmutación. Por lo tanto, se obtiene un voltaje regulado en la salida, pero la salida se regula solo si la corriente se consume dentro de los límites del CCM.
Modo de conducción discontinua (DCM): en este modo, la corriente en el inductor pulsa y se vuelve cero durante una parte del tiempo de conmutación. Por lo tanto, no se recibe voltaje regulado en el DCM. Sin embargo, el voltaje se puede regular conectando un circuito de retroalimentación desde la salida a la entrada.
En este tutorial, se diseña un convertidor elevador no aislado, lo que significa que la entrada y la salida comparten la misma tierra. El convertidor elevador diseñado en este proyecto pasará de 5 V CC a 12 V CC con un límite de tolerancia de +/- 0,5 V. Una vez diseñado y montado el circuito, se observará mediante un multímetro el valor de la tensión y corriente de salida. Estos valores indicarán la eficiencia del convertidor elevador diseñado en el proyecto.

Componentes necesarios

Lista de componentes necessários para o conversor Open Loop Boost
Figura 1: Lista de componentes necesarios para Open Loop Boost Converter

Diagrama de bloques -

Diagrama de blocos do conversor Open Loop Boost
Fig. 2: Diagrama de bloques del convertidor Open Loop Boost

Conexiones de circuito –

En este proyecto, se diseña un convertidor elevador de bucle abierto que funciona en modo CCM y se calculan los valores de los componentes según las ecuaciones CCM estándar para la salida deseada.
El convertidor boost diseñado en este tutorial tendrá los siguientes parámetros de diseño:
Voltaje de entrada, Vin : se utilizará como fuente una batería de iones de litio de 3,7 V. El voltaje de la batería será el voltaje de entrada.
Rango de voltaje de salida, Vout: el voltaje de salida será ajustable entre 5 V y 12 V.
Corriente máxima de salida, Iout (máx.): el límite máximo de corriente de salida será 100 mA. El límite de corriente de salida crítico será de 10 mA.
Tensión de ondulación de salida (dV): la ondulación máxima del voltaje de salida asumida en la salida será de 100 mV.
Resistencia de carga : en este circuito, se conectará una resistencia a la salida que actuará como carga para el circuito. El valor máximo de resistencia se puede calcular utilizando la ley de Ohm, que es la siguiente:
Vsal = Isalida(máx)*RL(máx)
RL(máx.) = Vsal/Isal(máx.)
Poniendo todos los valores,
RL = 240E
Ahora la potencia nominal de la resistencia se puede calcular de la siguiente manera: P = (Vout)2/(RL(max))
Poniendo todos los valores,
Puchero = 2,4W
Así, se utilizará como carga en la salida una resistencia con un valor de 240E y una potencia equivalente o superior a 2,4W para obtener la máxima eficiencia.
Frecuencia (Fs): la frecuencia de la señal PWM generada por el microcontrolador no debe ser demasiado alta ni baja, por lo tanto, se selecciona una frecuencia de 10 KHz para operar los componentes de conmutación del circuito. Se supone el valor de la frecuencia.
El convertidor elevador tiene los siguientes bloques de circuitos:

1. Fuente de CC –

Se utiliza una batería de iones de litio de 3,7 V como fuente de alimentación de entrada en el circuito. El voltaje de la batería en sí es el voltaje de entrada al circuito.

2. Controlador y mecanismo de conmutación –

Se utiliza un oscilador para generar una señal modulada por ancho de pulso (PWM) de una frecuencia deseada. En este convertidor boost, se utiliza Arduino UNO para generar la señal PWM, por lo que la placa Arduino actúa como un oscilador. La señal PWM es un tren de pulsos que se utiliza para encender y apagar el MOSFET. MOSFET se utiliza como transistor de conmutación en el circuito.
Para la conmutación se utilizan como componentes de conmutación un transistor y un diodo. Para la selección de transistores, se elige MOSFET ya que los FET son conocidos por su rápida velocidad de conmutación y bajo RDS (ON) (resistencia de drenaje a fuente en estado ON). Por lo tanto, un MOSFET FDS7088N3 de canal N (que se muestra como Q1 en el diagrama del circuito) está conectado en paralelo a la fuente de CC de entrada que actúa como un interruptor en el circuito ya que su voltaje umbral es muy bajo, alrededor de 2 V. Por lo tanto, se puede alimentar fácilmente con una batería de 3,7 V. En el estado ON, el Vds del MOSFET FDS7088N3 también es muy bajo, lo que reduce la disipación de potencia de nuestro circuito.
Para encender y apagar el MOSFET, se debe aplicar un tren de pulsos a su puerta. Para hacer esto, la placa controladora genera una señal modulada por ancho de pulso de 10 kHz. Esta señal PWM se utiliza para encender y apagar el MOSFET. Para generar la señal PWM del controlador, se escribió un boceto de Arduino en la placa. Este boceto de Arduino se puede descargar desde la sección de códigos.
Cabe señalar que el tiempo de conmutación del MOSFET y el diodo debe ser menor que el tiempo de subida y bajada de la onda PWM. Se debe utilizar una resistencia de puerta a fuente para evitar cualquier activación no deseada del MOSFET por ruido externo. También ayuda a apagar rápidamente el MOSFET descargando su capacitancia parásita. Se debe conectar un valor de resistencia bajo (10E a 500E) a la puerta MOSFET. Esto solucionará el problema de los timbres (oscilaciones parásitas) y los picos de corriente en el MOSFET. El nivel de voltaje de la señal PWM debe ser mayor que el voltaje umbral del MOSFET. Para que el MOSFET se pueda encender completamente con un mínimo de RDS (ON). Debe haber un disipador de calor montado con el MOSFET para disipar el exceso de calor; de lo contrario, el FET podría dañarse.
Otro componente de conmutación utilizado en el circuito es un diodo. El tiempo de conmutación del diodo debe ser menor que el tiempo de subida y bajada de la onda PWM. La placa Arduino genera una onda PWM con un tiempo de subida de 110 ns y un tiempo de caída de 90 ns. La caída de tensión directa del diodo también debe ser muy baja; de lo contrario, disipará energía, lo que reducirá aún más la eficiencia del circuito. El diodo debe ofrecer una baja caída de voltaje en polarización directa y el RDS (ON) del MOSFET debe ser bajo. Por lo tanto, en este experimento, se selecciona el diodo BY399 que mejor se adapta al diseño del circuito.
Antes de generar la señal PWM, es necesario decidir la frecuencia de conmutación del circuito. Para este convertidor elevador, se selecciona una frecuencia de conmutación de 10 kHz, que funcionará bien en este diseño de convertidor.
El ciclo de trabajo de la señal PWM generada es otra consideración importante ya que decidirá el estado activo del MOSFET. El ciclo de trabajo se puede calcular de la siguiente manera:
D% = 1- (Vin/Vo)*100
Vo=voltaje de salida deseado, 5V a 12V
Vin = voltaje de entrada, 3,5 V
Dado que el voltaje de salida varía de 5 V a 12 V, el ciclo de trabajo se calculará tanto para 5 V como para 12 V.
Para salida de 5V,
Para Vo(mín) = 5V
D(mín)% = (1-(3,5/5))*100
D(mín)% = 30% (aprox.)
y para salida de 12V,
Para Vo(máx.) = 12V
D(máx.)% = (1-(3,5/12))*100
D(máx.)% = 70% (aprox.)
Se debe utilizar un condensador y una resistencia del valor adecuado para generar la frecuencia de 10 kHz y el ciclo de trabajo del 50 %. Cuanto mayor sea la frecuencia seleccionada para los componentes de conmutación, mayores serán las pérdidas de conmutación. Esto disminuye la eficiencia del SMPS. Pero la alta frecuencia de conmutación reduce el tamaño del elemento de almacenamiento de energía y mejora la respuesta transitoria de la salida.

3. Elemento de almacenamiento de energía –

Se utiliza un inductor para almacenar energía eléctrica en forma de campo magnético. Por tanto, el inductor actúa como elemento de almacenamiento de energía. En el circuito se utiliza un inductor de valor 11,5 mH. Para un inductor, se puede utilizar una bobina secundaria o primaria de un transformador, una bobina de relé o cualquier inductor estándar que tenga el valor de inductancia deseado.
Se debe utilizar un inductor de valor apropiado en el circuito. El valor del inductor se puede calcular como la ecuación CCM –
Lmín>= Vo(máx)/(16* Fs*Io (mín))
Io (min) = Valor crítico de la corriente de salida para mantener una tensión regulada en la salida.
Suponiendo Io (mín.) = 10 mA
Vo(máx.) = 12V
Poniendo todos los valores en la ecuación anterior,
Lmín>= 7,5 mH
Dado que el inductor puede ser mayor que el valor calculado, es por eso que en el circuito se utiliza un inductor de valor estándar de 11,5 mH.

4. Elemento filtrante de salida –

Como elemento filtrante, se utiliza un condensador (que se muestra como C1 en el diagrama del circuito) en la salida del circuito. En funcionamiento normal del circuito Boost, el transistor Q1 se enciende y apaga según la frecuencia del circuito oscilador. Esto genera un tren de impulsos en el inductor L1 y el condensador C1, así como en el transistor Q1. Dado que el capacitor está conectado al inductor solo en el ciclo negativo de la señal PWM, esto forma un filtro LC que filtra el tren de pulsos para producir una CC suave en la salida. El valor del condensador se puede calcular utilizando la siguiente ecuación CCM:
Para Vsal = 12V
C mín>= (Io (máx) * D(máx))/ (Fs*dVo)
Corriente de salida máxima, Io (máx.) = 100 mA
Ciclo de trabajo, D(máx)= 0,7
F = 10 kHz
Tensión de ondulación de salida deseada, dVo
Supongamos dVo = 100mV
Poniendo todos los valores en la ecuación anterior,
Cmín>= (0,01 * 0,7)/ 10000*0,01
Cmín>= 70uF
Este es el valor mínimo del condensador requerido. En el circuito se utiliza un condensador con un valor estándar de 100 uF.

5. Ajuste del voltaje de salida –

Para variar el voltaje de salida, se utiliza un potenciómetro en la salida del circuito (como se muestra en el diagrama del circuito). El potenciómetro funciona con la batería y luego el pin analógico del microcontrolador detecta el voltaje del potenciómetro. Después de detectar el voltaje, el microcontrolador ajusta el ciclo de trabajo de acuerdo con el voltaje de salida deseado. Luego, girando la perilla del potenciómetro se puede variar el voltaje de salida según sea necesario.

Cómo funciona el circuito –

Cualquier SMPS tiene algunos componentes de conmutación que se encienden y apagan a alta frecuencia y tiene algún componente de almacenamiento que almacena la energía eléctrica mientras los componentes de conmutación están en estado conductor y descarga la energía almacenada al dispositivo de salida mientras los componentes de conmutación no están funcionando. estado.
Un convertidor elevador simple consta de un inductor (L), un diodo (D), un condensador (C) y un transistor donde el transistor actúa como interruptor. En el circuito elevador, cuando el interruptor está cerrado, es decir, el componente de conmutación está en estado conductor, el inductor comienza a generar un campo magnético y almacena energía. La energía almacenada en el inductor aumenta el voltaje de salida en comparación con el voltaje de entrada. Cuando la corriente comienza a fluir a través del componente de conmutación, como su camino es menos resistivo en comparación con el camino paralelo que contiene el capacitor y la carga de salida, el inductor genera una polaridad positiva en su terminal izquierdo y negativa en su terminal derecho. Debido al cambio de polaridad, el diodo adquiere polarización inversa. En esta condición, el condensador, que se cargó en el ciclo anterior, suministra corriente a la carga mientras el componente de conmutación pasa a un estado no conductor o se abre entre tierra.
Diagrama de circuito mostrando o estado ligado do componente de comutação no conversor Boost
Fig. 3: Diagrama de circuito que muestra el estado ON del componente de conmutación en el convertidor Boost
Cuando el interruptor está abierto, la corriente se reduce a medida que aumenta la impedancia, por lo que el campo magnético generado en el inductor comienza a colapsar y la polaridad del inductor se invierte. Esto hace que el diodo tenga polarización directa y el capacitor ahora comience a cargarse con un voltaje mayor que el voltaje de entrada. Como la entrada ahora tiene dos fuentes en serie, una es el inductor y la otra es la batería. Por lo tanto, el voltaje de salida es siempre mayor que el voltaje de entrada.
Diagrama de circuito mostrando o estado desligado do componente de comutação no conversor Boost
Fig. 4: Diagrama de circuito que muestra el estado APAGADO del componente de conmutación en el convertidor Boost
Por lo tanto, en el estado ON, el Diodo estaba en Modo de Bloqueo (OFF) y el Transistor estaba ON. En el estado APAGADO, el Diodo estaba en modo de conducción (ENCENDIDO) y el Transistor estaba APAGADO.
Entonces, se puede decir que el convertidor Boost tiene dos componentes de conmutación: uno es el transistor y el otro es el diodo. A la vez, sólo uno de los componentes de conmutación conduce, es decir, está en estado ON, mientras que el otro entra en estado no conductor, es decir, entra en estado OFF.

Probando el circuito –

En este circuito, se agrega una resistencia variable al circuito convertidor elevador de bucle abierto para hacer que el voltaje de salida sea ajustable. El boceto de Arduino también se modifica para cambiar el ciclo de trabajo de la señal PWM según la entrada de voltaje de resistencia variable.
En el circuito, voltaje de la batería, Vbat/Vin = 3,7 V
Al medir valores de voltaje y corriente con diferentes cargas en la salida cuando el ciclo de trabajo se establece en 70 por ciento, se realizaron las siguientes observaciones:
Tabela que lista a tensão e a corrente de saída do conversor Boost de malha aberta para diferentes cargas com ciclo de trabalho de 70 por cento
Fig. 5: Tabla que enumera el voltaje y la corriente de salida del convertidor elevador de bucle abierto para diferentes cargas con un ciclo de trabajo del 70 por ciento
Así, se puede observar que se puede consumir una corriente de 11,7 mA en la salida con un límite de tolerancia de +/-0,5V.
Al medir valores de voltaje y corriente con diferentes cargas en la salida cuando el ciclo de trabajo se establece en 30 por ciento, se realizaron las siguientes observaciones:
Tabela que lista a tensão e a corrente de saída do conversor Boost de malha aberta para diferentes cargas com ciclo de trabalho de 30 por cento
Fig. 6: Tabla que enumera el voltaje y la corriente de salida del convertidor elevador de bucle abierto para diferentes cargas con un ciclo de trabajo del 30 por ciento
Así, se puede observar que se puede consumir una corriente de 9,1 mA en la salida con un límite de tolerancia de +/-0,5 V.
La tensión sin carga en ambos casos es alta. Como no se agrega ningún circuito de retroalimentación en el diseño que pueda regular el voltaje de salida.
Como se supone, la corriente de salida máxima debe ser de 100 mA para 24 V y 5 V. Esta caída de voltaje se debe a pérdidas en el circuito, como pérdidas de conmutación y conducción del diodo y MOSFET, pérdidas en los devanados que rodean el núcleo del inductor, pérdidas por corrientes parásitas y pérdidas por histéresis en el inductor, pérdidas del capacitor debido a ESR (resistencia en serie equivalente). ) y pérdidas debidas a Rds(on) de N-MOS.
Protótipo de conversor Open Loop Boost projetado em uma placa de ensaio
Fig. 7: Prototipo de Open Loop Boost Converter diseñado en una placa de pruebas
La eficiencia energética del circuito se puede calcular de la siguiente manera:
Para un ciclo de trabajo del 70 %, la corriente de salida máxima es 11,7 mA
% de eficiencia = (Pout/Pin)*100(Salida de potencia) Pout = Vout*Iout
(Tensión de salida) Vsal = 11,8 V
(Corriente de salida) Isal = 11,79 mA
Puchero = 139 mW (aprox.)
(Potencia de entrada) Pin = Vin*Iin
(Voltaje de entrada) Vin = 3,7 V
(Corriente de entrada) Iin = 42 mA (mida la corriente de entrada usando un amperímetro)
Pin = 155 mW (aprox.)
Poniendo todos los valores,
Eficiencia% = 89%
Se puede observar que existen ciertas limitaciones de este circuito. El voltaje de salida en este circuito no está regulado, varía para diferentes resistencias de carga. Esto se puede mejorar agregando un circuito de retroalimentación que ayude a regular el voltaje de salida. En el siguiente tutorial se diseña un convertidor Boost con circuito de retroalimentación y salida ajustable. En segundo lugar, la eficiencia de este diseño de convertidor elevador es del 89% debido a las pérdidas de potencia en el circuito.
Este es un convertidor elevador de bucle abierto con salida no aislada y que funciona en modo CCM. Se puede utilizar como regulador de conmutación para controladores LED y como fuente de alimentación CC regulada. Se puede utilizar para suministrar energía a dispositivos electrónicos portátiles de bajo consumo. En aplicaciones alimentadas por baterías, cuando hay limitaciones de espacio para apilar una cantidad de baterías en serie para lograr un alto voltaje, este convertidor elevador se puede usar con una menor cantidad de baterías para suministrar energía de CC.
Este convertidor elevador es simple de diseñar y utiliza componentes económicos. Se puede montar fácilmente en poco tiempo. El circuito tiene salida variable y puede funcionar con una batería de 3,5V. Sin embargo, el voltaje mínimo de la batería no debe ser inferior a 3,5 V; de lo contrario, el microcontrolador no recibirá alimentación.

Código fuente del proyecto

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 //Programa para


 ////// Código para convertidor Boost de bucle abierto con voltaje de salida variable ////////
 
////// Ajuste del voltaje de salida de 5V a 12V ////////


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

 #define CMP_VALUE_HALF_DUTY 799 // 50% de ciclo de trabajo

 #define Inputpin A4 // Pin de entrada del potenciómetro en A4

 #define PWM 9 // Onda PWM (modulación de ancho de pulso) en el pin 9

 flotador Mapping_output_voltage; // declaración de función


 flotador Mapping_output_voltage {
 // definición de función

 int Input_Read = analogRead(Inputpin);
 //leyendo el voltaje analógico del potenciómetro y convirtiéndolo a valores digitales entre 0 y 1023

 float Comparar_voltaje = (((Input_Read*(1.0)/1024)*7)+5);
 // mapeando el valor digital al voltaje analógico de 0 a 12

 retorno(Comparar_voltaje);
 // devuelve el voltaje calculado de salida

 }


 configuración nula {

 // pon tu código de configuración aquí, para ejecutarlo una vez:

 pinMode(PWM,SALIDA);                         
//establecer 9 pines como salida

 pinMode (pin de entrada, ENTRADA);
 // establece el pin A4 como entrada

 TCCR1A = 0;
 //restablecer el registro

 TCCR1B = 0;
 //restablecer el registro

 TCNT1 = 0;
 //restablecer el registro

 TCCR1A = (1< 
###

Diagramas de circuito

Diagrama-de-circuito-convertidor-elevador-de-bucle-abierto

Vídeo del proyecto

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