Muitas vezes, é necessário aumentar ou diminuir as tensões CC. Os circuitos para aumentar ou diminuir as tensões CC não são simples como é o caso das tensões CA. A mudança de nível de tensões CC requer circuitos complexos. Esses circuitos são chamados de conversores DC para DC. Os conversores DC – DC são os circuitos eletrônicos que convertem uma tensão DC constante em um nível de alta tensão ou em um nível de baixa tensão.
Quando um circuito aumenta a tensão DC para um nível mais alto, ele é chamado de Boost Converter. Quando um circuito diminui a tensão CC para um nível inferior, ele é chamado de conversor Buck. Como um conversor boost converte a tensão CC em um nível de tensão mais alto, ele também é conhecido como conversor elevador. Para aumentar o sinal de tensão, é necessário um circuito regulador que possa aumentar o sinal de tensão de entrada.
A maioria dos aparelhos eletrônicos, como smartphones e tablets, funcionam com 5V DC. No entanto, para uso geral, baterias de 3,7 V são bastante comuns. Essas baterias podem ser usadas para alimentar dispositivos de 5V usando um circuito conversor boost. Neste projeto eletrônico, a tensão da bateria de íons de lítio de 3,7 V é aumentada para 5 V CC. A tensão de final de descarga da bateria de íon-lítio pode ser assumida como 3,5 V, portanto este circuito converterá a tensão de entrada mínima de 3,5 V para o nível de 5 V. Uma corrente máxima de 500 mA pode ser consumida por este conversor boost.
O regulador utilizado para potencializar o sinal neste projeto é o MC34063AP1 que aumentará o sinal de entrada até o nível de tensão desejado.
Componentes necessários
Figura 1: Lista de componentes necessários para o conversor DC para DC Boost
Conexões de circuito –
Neste projeto, o circuito conversor boost é construído usando o IC conversor 34063A DC para DC. A tensão de entrada é fornecida através de uma bateria de 3,7 V que tem seu ânodo conectado ao pino 6 do CI regulador e cátodo conectado ao terra comum. Um capacitor Cin é conectado ao pino 6 para remover ondulações do sinal de entrada. Um capacitor adicional C1 é conectado paralelamente ao capacitor Cin para reduzir a ESR geral das capacitâncias. A tensão de saída é retirada do pino 5 do IC regulador através de um circuito divisor de tensão formado pelas resistências R1 e R2. No pino 7 do IC, um resistor limitador de corrente Rsc está conectado e no pino 8, uma resistência R3 é conectada para limitar a corrente na base do transistor embutido do IC. Os pinos 2 e 4 do IC estão aterrados. No pino 1, um indutor e um diodo são conectados para aumentar a tensão de entrada. No pino 3 do IC, um capacitor de temporização Ct está conectado. Há um capacitor Co conectado na saída do circuito para reduzir as ondulações no sinal de saída.
Como funciona o circuito –
Antes de compreender a operação do circuito conversor boost baseado em 34063 IC, é importante entender como funciona um circuito conversor boost básico. A seguir está o circuito básico de um conversor boost.
Fig. 2: Diagrama de circuito do conversor Boost básico
Em um circuito conversor boost, a saída é maior que o sinal de tensão de entrada. O circuito básico de um conversor boost consiste em um oscilador para fornecer o sinal de entrada, um diodo, um componente de comutação como o transistor e pelo menos um elemento de armazenamento de carga (capacitor ou indutor).
O oscilador fornece uma onda quadrada na entrada, portanto, durante o semiciclo positivo da onda quadrada, o indutor armazena alguma energia e gera um campo magnético. Durante esta fase, o terminal esquerdo do indutor está com tensão positiva. A base do transistor recebe tensão positiva e liga. Portanto, o ânodo do diodo está com potencial mais baixo e atua como um circuito aberto. Assim, toda a corrente da fonte flui através do indutor para o transistor e finalmente para o terra.
Fig. 3: Diagrama de circuito mostrando o ciclo positivo na operação do circuito conversor Boost
Durante o meio ciclo negativo, o MOSFET é desligado. Devido a isso, o indutor não consegue carregar. A corrente através do indutor gera uma fem reversa (de acordo com a lei de Lenz) que inverte a polaridade do indutor (como mostrado na imagem abaixo). Portanto, o diodo fica polarizado diretamente.
Agora a carga armazenada do indutor começa a descarregar através do diodo e uma tensão de nível superior é obtida na saída. Neste caso, a tensão de saída depende da carga armazenada no indutor. Quanto maior for a carga armazenada, maior será a tensão de saída. Portanto, se o tempo de carregamento do indutor for maior, a carga armazenada no indutor também aumenta. Assim, tornam-se duas fontes de tensão de entrada – uma é o indutor e a outra é a alimentação de entrada. Portanto, a tensão de saída é sempre maior que a tensão de entrada.
Fig. 4: Diagrama de circuito mostrando o ciclo negativo na operação do circuito conversor Boost
Para aumentar a eficiência e remover as ondulações da saída do conversor boost, alguns outros componentes precisam ser adicionados ao circuito básico do conversor boost.
Projetando um circuito conversor boost usando o regulador 34063 –
Neste projeto, um conversor DC para DC é projetado usando o regulador IC 34063. Este regulador é um IC especialmente projetado para conversão DC-DC. Ele fornece uma tensão de saída constante e regulada. Internamente este regulador possui um transistor com oscilador onde o oscilador fornece frequência de onda quadrada de até 100 kHz.
O sinal de entrada para operação do regulador 34063 pode variar de 3V a 40 V e a tensão de saída pode ser ajustada conforme a necessidade usando uma rede divisora de tensão. O IC pode ser usado em aplicações de conversor boost, conversor buck e inversor de tensão. O IC possui 8 pinos com a seguinte configuração de pinos –
Fig. 5: Tabela listando a configuração dos pinos do regulador IC 34063
O regulador IC vem com os seguintes recursos –
• Corrente de espera baixa – consome muito menos corrente quando nenhuma carga está conectada à saída.
• Pode fornecer corrente de saída de até 1,5 A alterando o circuito externo deste conversor boost.
• Tensão de saída ajustável – o usuário pode alterar a tensão de saída conforme a necessidade.
• Frequência ajustável de até 100 kHz
Fig. 6: Circuito interno do regulador IC 34063
Na figura 2 pode-se observar que junto com os componentes básicos como oscilador, transistor, diodo e indutor que fazem essencialmente parte do projeto básico do circuito de um conversor boost (figura 1), o regulador 34063 também possui componentes adicionais. Esses componentes são usados para fornecer mais recursos ao usuário e aumentar a eficiência do circuito conversor boost.
O circuito a seguir é usado para fazer um conversor boost usando o regulador 34063 –
Fig. 7: Diagrama de Circuito do Conversor Boost
Os diferentes componentes externos interligados com o regulador IC atendem às seguintes funções específicas –
Capacitor de temporização CT- Existe um capacitor conectado no pino 3. O pino 3 tem a função de capacitor de temporização. O capacitor conectado no pino 3 define a frequência de comutação do IC regulador.
Resistor limitador de corrente Rsc -Há um resistor limitador de corrente conectado no pino 7 do regulador IC. A resistência de corrente da fonte Rsc está conectada entre o pino 7 e o terminal positivo da bateria. A resistência Rsc limita a corrente de pico Ipk (corrente interna máxima que flui do indutor e do diodo) do circuito. É por isso que, ao projetar o circuito, é importante escolher o indutor e o diodo corretos que possam permitir a corrente máxima Ipk.
Capacitâncias Cin, Co e C1 – Existem capacitores Cin, Co e C1 conectados no circuito para filtragem dos sinais de entrada e saída. As capacitâncias Cin e Co são utilizadas na entrada e na saída respectivamente. Esses capacitores reduzem as ondulações e ruídos indesejados nos sinais de entrada e saída. O capacitor Co fornece uma tensão CC regulada e suave na saída. Um capacitor adicional C1 de valor muito pequeno também é usado em paralelo com o capacitor Cin para reduzir a ESR (Resistência Equivalente em Série) na tensão de entrada.
Resistências R1, R2 e R3 – Existem resistores de realimentação R1, R2 e R3 conectados no circuito. O R1 e R2 são os resistores de feedback que decidem a tensão de saída desejada. A tensão de saída depende dos resistores de feedback pela seguinte equação –
Vout = Vref*(1+(R2/R1))
A tensão Vref é a tensão de referência. Internamente, o 34063A fornece uma tensão de referência estável de 1,25 V. Para uma tensão de saída desejada, os valores dos resistores de feedback R1 e R2 podem ser calculados como segue –
Vout = 1,25*(1+(R2/R1))
5 = 1,25*(1+(R2/R1)) (Desde a tensão de saída desejada, Vout = 5V)
Calculando a equação acima,
R2 = 3*R1
Se R1 for considerado 15k ohm
R2 = 3*15000
R2 = 45k ohm Isso pode ser arredondado para 47K ohm, pois o resistor de 47k está facilmente disponível.
Então neste experimento
R1 = 15k e R2 = 47k
O resistor R3 é usado para limitar a corrente que flui para o coletor do transistor que está embutido no regulador (consulte a fig. 2)
Indutor L1 e Diodo D1 – O indutor e o diodo são os principais componentes do circuito conversor boost básico. O diodo escolhido para ser utilizado no circuito é o 1N5822, pois este diodo possui menor queda de tensão direta, capacidade de alta corrente de até 3 A e pode trabalhar em alta frequência.
Para projetar um conversor boost que converte a entrada mínima de 3,5 V em saída de 5 V usando 34063, o valor para diferentes componentes externos deve ser calculado conforme mostrado na Figura 3. De acordo com a folha de dados de 34063, para conversor elevador a tabela a seguir pode ser usado para calcular os valores dos componentes. Mas antes de calcular os valores dos componentes é importante considerar os seguintes parâmetros que são usados na tabela fornecida na folha de dados.
(Tensão mínima de entrada da bateria), Vin (min) = 3,5 V
(Tensão de saída necessária), Vou = 5 V
(Corrente de saída máxima), Iout(máx.)= 500 mA
(Tensão de saturação do transistor), Vsat = 0,5 V (valor aproximado conforme folha de dados do 34063)
(Queda de tensão direta do diodo 1N5822), FV = 0,4 (conforme folha de dados do diodo 1N5822)
(Frequência de comutação de saída desejada), f = 100 kHz
No projeto deste circuito conversor boost, é escolhida a frequência máxima que o regulador 34063AP1 pode fornecer. Devido ao fato de quanto maior a frequência menor o tamanho do indutor, isso torna o circuito menos volumoso.
(tensão de ondulação de saída pico a pico desejada), Vripple= 100mV
Esta é a tensão de ondulação pico a pico que deve ser considerada na saída. A tensão de ondulação deve ser sempre menor para uma saída regulada e constante.
Tabela para cálculo dos valores dos componentes do conversor Step-Up
Fig. 8: Tabela utilizada para cálculo dos valores dos componentes do conversor Step-Up
Por conveniência, os seguintes valores foram arredondados, para que os componentes possam ser facilmente montados.
CT = 150pF, Rsc = 0,22 ohm, Lmin = 10uH, Co = 200uF
Valores de outros componentes
Resistência R3- O valor padrão do resistor R3 é 180 ohm para o conversor elevador de acordo com a folha de dados do regulador 34063. No circuito foi arredondado para 200 ohms.
Capacitor Cin – Neste circuito, um capacitor de 100 uF é usado para Cin. Este é o valor padrão para o conversor elevador de acordo com a ficha técnica do regulador 34063.
Capacitor C1 – O valor do capacitor C1 deve ser menor para que possa reduzir o ESR geral, então a capacitância C1 é considerada 0,1uF
Depois de conectar todos os componentes externos ao IC regulador, a tensão e a corrente de saída podem ser medidas para observações práticas. A medição de diferentes valores de tensão e corrente no circuito ajuda a avaliar a eficiência do circuito conversor boost.
Tensão de entrada prática da bateria, Vin = 3,6 V
Tensão de saída prática, Vout = 5,35 V
A eficiência do circuito conversor boost precisa ser avaliada com diferentes cargas. Por conveniência, resistores de valores diferentes são conectados como carga na saída para teste. Os resultados obtidos durante o teste estão resumidos na tabela a seguir –
Figura 9: Tabela listando tensão e corrente de saída do Boost Converter para diferentes cargas
Fig. 10: Gráfico mostrando a variação de tensão para diferentes cargas na saída do conversor boost
Fig. 11: Gráfico mostrando a variação da corrente para diferentes cargas na saída do conversor boost
A partir das observações práticas, pode-se observar que quando a demanda de corrente aumenta a tensão começa a cair. Assim como para a tensão de saída de 5 V com uma carga de 100 ohms, a corrente consumida na saída é de 50 mA. À medida que a saída de tensão começa a cair abaixo de 5 V, a corrente consumida pela carga começa a aumentar. Portanto, o circuito só pode fornecer corrente de até 50 mA aproximadamente se a tensão de saída estiver definida para aproximadamente 5V. A eficiência do circuito pode ser melhorada adicionando filtros e reguladores de tensão (diodos Zener) para obter uma tensão regulada na saída.
Figura 12: Protótipo de Boost Converter projetado em uma breadboard
Ao projetar este circuito é importante que para a saída estabilizada seja necessário o uso de capacitor na alimentação de entrada e também na saída do circuito, para que as ondulações indesejadas dos sinais de entrada e saída possam ser reduzidas. Um valor baixo do capacitor (C1) também deve ser adicionado em paralelo com um valor alto do capacitor (Cin) na entrada para reduzir a ESR geral. O diodo e o indutor devem ser escolhidos com sabedoria para que possam permitir a máxima corrente de entrada (Ipk) através deles. Maximizar a corrente na saída deve ser o critério para a escolha do diodo e do indutor. A alimentação de entrada deve ser fornecida ao regulador 34063 somente em sua faixa de trabalho. A seleção do diodo (D1) deve ser tal que ele sofra menos queda de tensão direta e possa trabalhar em altas frequências.
Diagramas de circuito
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