Diseño de convertidor elevador SMPS no aislado de circuito cerrado (Parte 2/12)

En el tutorial anterior, 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 no tenía un voltaje regulado constante en la salida. Para una salida estable, es necesario diseñar un convertidor Boost con circuito de detección de errores. La detección de errores se puede realizar agregando un circuito de retroalimentación que verifique continuamente el error en el voltaje de salida y proporcione un voltaje regulado en la salida.

Por lo tanto, en este tutorial, se diseña un convertidor elevador no aislado de circuito cerrado. 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 12 V CC a 24 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.

Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el convertidor Boost de circuito cerrado

Fig. 2: Diagrama de bloques del convertidor elevador de circuito cerrado

En este experimento, se diseña un convertidor elevador de circuito cerrado que funciona en modo DCM y se calculan los valores de los componentes de acuerdo con las ecuaciones DCM estándar para la salida deseada.

El convertidor boost diseñado en este tutorial tendrá los siguientes parámetros de diseño:

Voltaje de entrada, Vin : se utilizará una batería de plomo-ácido de 12 V como fuente. El voltaje de la batería será el voltaje de entrada.

Voltaje de salida, Vout : el voltaje de salida deseado es 24 V.

Corriente máxima de salida, Iout (max) : el límite máximo de corriente de salida será 100 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

Por tanto, 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:

Se utiliza una batería de 12 V como fuente de alimentación de entrada en el circuito. En el proyecto se utiliza una batería de plomo-ácido de 12V. El voltaje de la batería en sí es el voltaje de entrada al circuito.

Se utiliza un oscilador para generar una señal modulada por ancho de pulso (PWM) de la 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 P30NF10 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 4 V. Por lo tanto, puede funcionar mediante una señal PWM de 5 V procedente del microcontrolador. En el estado ON, el Vds del MOSFET P30NF10 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).

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, 24V

Vin = voltaje de entrada, 12V

Poniendo todos los valores en la ecuación anterior, el ciclo de trabajo deseado es –

D = 50%

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.

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.

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 C3, 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 DCM:

C1>= (Io(máx) * (1- (2*L1*Fs/RL)1/2))/ (Fs*dV)

Poniendo todos los valores en la ecuación anterior,

C1 >= (0,1*(1-(2*0,0115*10.000/240) 1/2))/ (10.000*0,1)

C1 >= 3uF

Como un condensador puede ser mayor que el valor calculado, se puede utilizar cualquier condensador con un valor equivalente a 3uF o superior a 3uF.

Como es el valor mínimo de capacitor requerido, se usa un capacitor de valor estándar en el circuito que puede estar fácilmente disponible y, por lo tanto, se usa un capacitor de 47uF.

En el tutorial anterior, se vio que sin ningún circuito de retroalimentación, se recibía un alto voltaje en la salida cuando no había ninguna carga conectada. Cuando se conectó cualquier carga en la salida, el voltaje de salida cayó por debajo del voltaje de salida deseado. por lo tanto, era necesario regular el voltaje de salida conectando un circuito de retroalimentación.

Por lo tanto, en este circuito, se proporciona retroalimentación desde el terminal de salida al terminal de entrada que regula el voltaje de salida incluso cuando no hay carga presente en la salida. El circuito de retroalimentación debe calcular el error de voltaje y luego el microcontrolador ajusta automáticamente el voltaje de salida de acuerdo con el voltaje deseado. Este error de ajuste de voltaje lo gestiona el boceto Arduino que se ejecuta en la placa.

Para proporcionar retroalimentación, se utiliza una escalera de resistencias en la salida (como se muestra en el diagrama del circuito). Para calcular el valor de la red de resistencias, se debe conocer el voltaje de salida máximo del circuito de bucle abierto cuando no hay carga conectada a la salida. Este será el voltaje de salida deseado que debe alimentar desde la red divisora ​​de resistencia al pin analógico del controlador (como se muestra en el diagrama del circuito). El voltaje de salida debe ser igual a 5,2 V ya que el microcontrolador proporciona 5,2 V como voltaje de referencia. El valor de la red de resistencias se puede calcular de la siguiente manera:

Fig. 3: Diagrama de circuito de la escalera resistiva utilizada como retroalimentación en el convertidor elevador de circuito cerrado

Según la regla del divisor de resistencia:

Vr = Vo*(R4/R3+R4)

Dónde,

Vr = salida deseada para pin analógico

Vo = tensión de salida del convertidor elevador de bucle abierto sin carga.

Se observó que los valores de Vr y Vo son –

Vo = 110V

VR = 5,2 V

Supongamos que R3 = 10K ahora R4 es

5,2= 100*(R4/10K+R4)

R4 = 500E (aprox.)

Entonces R3 = 10K y R4 = 500E

Ahora, la potencia nominal de las resistencias R3 y R4 se puede calcular de la siguiente manera:

(Para R3),P3 = (Vo-Vr)2/(R3)

Poniendo todos los valores,

P3 = 1W (aprox.)

(Para R4), P4 = (Vr)2/(R4)

Poniendo todos los valores,

P = 54 mW (aprox.)

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 están en estado no. . -estado de conducción.

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.

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.

Fig. 5: 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 –

El propósito de fabricar un convertidor elevador de circuito cerrado es aumentar la eficiencia energética del circuito y mejorar la estabilidad de la salida.

En este circuito, voltaje de entrada, Vin = 12V

El voltaje de salida cuando no hay carga conectada es de 24,3 V.

Al medir valores de voltaje y corriente con diferentes cargas en la salida, se realizaron las siguientes observaciones:

Fig. 6: Tabla que enumera el voltaje y la corriente de salida del convertidor elevador de circuito cerrado para diferentes cargas

Así, se puede observar que se puede consumir una corriente de 100 mA en la salida de 24,3 V con un límite de tolerancia de +/-0,5 V.

La eficiencia energética del circuito se puede calcular de la siguiente manera:

% de eficiencia = (Pout/Pin)*100

(Potencia de salida) Pout = Vout*Iout

(Voltaje de salida) Vsal = 24,3 V

(Corriente de salida) Isal = 100mA

Puchero = 2430 mW (aprox.)

(Potencia de entrada) Pin = Vin*Iin

(Voltaje de entrada) Vin = 12V

(Corriente de entrada) Iin = 220 mA (mida la corriente de entrada usando un amperímetro)

Clavija = 2640 mW

Poniendo todos los valores,

Eficiencia% = 92%

Se puede ver que cuando se utiliza un circuito de retroalimentación, la eficiencia del convertidor elevador aumenta del 88% (como se calculó en el tutorial anterior) al 92%.

Este es un convertidor elevador de circuito cerrado con salida no aislada y que funciona en modo DCM. 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. Además, no hay necesidad de circuitos de control para la generación de señales PWM en este diseño de convertidor elevador.

Diagrama-de-circuito-convertidor-elevador-de-bucle-cerrado