En el tutorial anterior, ya se discutieron diferentes tipos de SMPS. En esta serie, se diseñarán 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
En este tutorial, se diseñará un convertidor elevador de bucle abierto SMPS. Boost Converter es una de las topologías de fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS). Tiene una fuente de CC como energía de entrada, como batería, generador o rectificador. En el caso de un convertidor elevador, la potencia de salida es siempre mayor que la potencia de entrada. Por lo tanto, el circuito convertidor elevador aumentará la potencia desde un nivel de CC a un nivel de CC más alto. El método de convertir un voltaje de CC en un voltaje de CC diferente se llama conversión de CC a CC. El convertidor elevador es un convertidor de CC a CC que aumenta la señal de entrada al nivel de voltaje más alto.
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 boost diseñado en el proyecto.
Componentes necesarios –
Figura 1: Lista de componentes necesarios para Open Loop Boost Converter SMPS
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del convertidor elevador de bucle abierto SMPS
Conexiones de circuito –
En este experimento, se diseña un convertidor elevador de bucle abierto que funciona en modo CCM y se calculan los valores de los componentes de acuerdo con las ecuaciones CCM estándar para la salida deseada.
El convertidor elevador tiene los siguientes bloques de circuitos:
1. Fuente de CC: se utiliza una batería de 12 V como fuente de alimentación de entrada en el circuito.
2. 2. Oscilador 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 elevador, se utiliza 555 IC para generar la señal PWM, por lo tanto, 555 IC 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. El 555 está configurado en modo Astable con algunas modificaciones al circuito básico. Para saber cómo el 555 IC genera una señal PWM, lea el tutorial 'Generación de onda cuadrada'.
Se debe tener cuidado de que el voltaje de entrada del 555 no exceda el límite especificado mencionado en su ficha técnica. Siempre se debe utilizar un condensador reducido en el pin de control del 555 IC para evitar ruido ambiental no deseado.
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 30NF10 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. El tiempo de conmutación del MOSFET y el diodo debe ser menor que el tiempo de subida y bajada de la onda PWM. El diodo debe ofrecer una baja caída de voltaje en la polarización directa y el RDS (ON) del MOSFET debe ser bajo.
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. El IC 555 utilizado 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. 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.
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. El valor del inductor se puede calcular utilizando la ecuación estándar CCM que es la siguiente:
Lmín>= Vo /(16* Fs*Io (min))
donde, Lmin = valor mínimo del inductor
F = 10 kHz
Io (min) = Valor crítico de la corriente de salida para mantener una tensión regulada en la salida.
Suponiendo Io (mín.) = 30 mA
Al poner todos los valores en la ecuación anterior, el valor del inductor se obtiene de la siguiente manera:
Lmín>= 5mH
El valor del inductor debe estar de acuerdo con el cálculo y su corriente nominal debe ser mayor que la corriente pico del inductor (ecuación CCM estándar, corriente pico, Ipk = (Vin*D*Ts)/L)
4. Elemento filtrante de salida
Como elemento filtrante, se utiliza un condensador (que se muestra como C3 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 capacitor se puede calcular usando la siguiente ecuación CCM: Cmin>= (Io (max) * D)/ (Fs*dVo)
Donde, Cmin = valor mínimo del condensador
Corriente de salida máxima, Io (máx.) = 100 mA
Ciclo de trabajo, D = 0,5
Tensión de ondulación de salida deseada, dVo
Suponiendo dVo = 100 mV
Al poner todos los valores en la ecuación anterior, el valor de capacitancia se obtiene de la siguiente manera:
Cmín>= (0,01 * 0,5)/ 10000*0,01
Cmín>= 50uF
C >= (0,01 * 0,5)/ 10000*0,01
C >= 50uF
Como es el valor mínimo de capacitor requerido, en el circuito se usa un capacitor de valor estándar que puede estar fácilmente disponible, por lo que se usa un capacitor de 100 uF.
C3 = 100uF
Los condensadores utilizados en el circuito deben tener una tensión nominal más alta que la tensión de alimentación de entrada. De lo contrario, los condensadores comenzarán a perder corriente debido al exceso de voltaje en sus placas y explotarán. Todos los condensadores deben descargarse antes de trabajar en una aplicación de fuente de alimentación de CC. Para ello, se pueden cortocircuitar los condensadores con un destornillador y guantes aislantes.
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.
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.
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 primer lugar, se debe confirmar la salida PWM del circuito 555. La forma de onda de salida del oscilador 555 o del circuito temporizador se puede observar en un osciloscopio. La forma de onda generada en el circuito se obtiene como se muestra en la siguiente figura:
Fig. 5: Gráfico que muestra la salida PWM del circuito basado en 555 IC como se observa en un CRO
Al medir valores de voltaje y corriente con diferentes cargas en la salida, se realizaron las siguientes observaciones:
Voltaje de la batería, Vin = 12V
Voy
Figura 6: Tabla que enumera el voltaje y la corriente de salida SMPS del convertidor elevador de bucle abierto para diferentes cargas
Así, se puede observar que dentro del límite de tolerancia de +/-0,5V se obtiene una corriente de salida de 49,5mA.
Fig. 7: Prototipo SMPS de Open Loop Boost Converter diseñado en una placa de pruebas
Pero como la corriente de salida máxima debe ser de 100 mA para 24 V, hay una caída de voltaje debido 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, las pérdidas del condensador debido a ESR (resistencia en serie equivalente) y las pérdidas debido a Rds (on) de N-MOS. La eficiencia del circuito es máxima cuando la corriente de salida es de 49,5 mA. La eficiencia del circuito se puede calcular de la siguiente manera:
% de eficiencia = (Pout/Pin)*100
(Potencia de salida) Pout = Vout*Iout
(Voltaje de salida) Vsal = 24,8 V
(Corriente de salida) Isal = 49,5 mA
Potencia = 1228 mW (aprox.)
(Potencia de entrada) Pin = Vin*Iin
(Voltaje de entrada) Vin = 12V
(Corriente de entrada) Iin = 115 mA (mida la corriente de entrada usando un amperímetro)
Clavija = 1380 mW
Poniendo todos los valores,
Eficiencia% = 88%
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. En segundo lugar, la eficiencia de este diseño de convertidor elevador es del 88% 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. Además, no hay necesidad de circuitos de control para la generación de señales PWM en este diseño de convertidor elevador.
Diagramas de circuito
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