Cálculo de indutores em conversores Buck Boost

Neste post tentamos entender o método de dimensionamento ou cálculo de indutores em circuitos conversores buck boost, a fim de garantir um desempenho ideal desses dispositivos.

Pegamos o exemplo do conversor de reforço IC 555 e das tipologias de conversor de buck IC 555 e tentamos entender as técnicas de otimização por meio de equações e ajustes manuais, para alcançar a resposta de saída ideal a partir desses projetos de conversor.

Em alguns de meus posts anteriores, estudamos exaustivamente sobre como os conversores SMPS buck e boost funcionam, e também deduzimos algumas fórmulas fundamentais para avaliar os parâmetros importantes como tensão, corrente e indutância nesses circuitos conversores.

Você pode querer resumir os detalhes dos artigos seguintes, antes de embarcar no presente artigo que trata dos métodos de projeto de indutores.

Como funcionam os conversores Boost

Como funcionam os conversores Buck

Equações básicas do Buck Boost

Para calcular indutores em circuitos SMPS buck boost, podemos derivar as duas fórmulas de conclusão a seguir para um conversor buck e para um conversor boost, respectivamente:

Vo = DVin ---------- For Buck Converter

Vo = Vin / (1 - D) ---------- Para conversor de impulso

Aqui D = Ciclo de Trabalho, que é = Tempo de Transistor LIGADO / LIGADO + Tempo DESLIGADO de cada ciclo PWM

Vo = Tensão de saída do conversor

Vin = tensão de alimentação de entrada para o conversor

A partir das fórmulas derivadas acima, podemos entender que os 3 parâmetros básicos que podem ser usados ​​para dimensionar a saída em um circuito baseado em SMPS são:

Parâmetros principais associados ao conversor Buck Boost

1) O ciclo de trabalho

2) O tempo ON / OFF do transistor

3) E o nível de tensão de entrada.

Isso implica que, ajustando apropriadamente qualquer um dos parâmetros acima, torna-se possível ajustar a tensão de saída do conversor. Este ajuste pode ser implementado manualmente ou automaticamente por meio de um circuito PWM autoajustável.

Embora as fórmulas acima expliquem claramente como otimizar a tensão de saída de um conversor buck ou boost, ainda não sabemos como o indutor pode ser construído para obter uma resposta ideal nesses circuitos.

Você pode encontrar muitas fórmulas elaboradas e pesquisadas para resolver esse problema, no entanto, nenhum novo aquarista ou entusiasta da eletrônica estaria interessado em realmente lutar com essas fórmulas complexas para os valores exigidos, que poderiam realmente ter mais possibilidade de fornecer resultados errôneos devido às suas complexidades .

A ideia melhor e mais eficaz é 'calcular' o valor do indutor com uma configuração experimental e por meio de algum processo prático de tentativa e erro, conforme explicado nos parágrafos a seguir.

Configurar um conversor de reforço usando IC 555

Um projeto simples de conversor boost e buck baseado em IC 555 é mostrado abaixo, o qual pode ser usado para determinar o melhor valor de indutor possível para um circuito conversor de boost SMPS específico.

O indutor L pode ser inicialmente feito arbitrariamente.

O regra prática é usar o número de voltas ligeiramente maior do que a tensão de alimentação , portanto, se a tensão de alimentação for 12 V, o número de voltas pode ser em torno de 15 voltas.

1. Deve ser enrolado sobre um núcleo de ferrite adequado, que pode ser um anel de ferrite ou uma haste de ferrite, ou sobre um conjunto de núcleo EE.
2. A espessura do fio é determinada pelo requisito de amp, que inicialmente não será um parâmetro relevante, portanto, qualquer fio esmaltado de cobre relativamente fino funcionaria, pode ser em torno de 25 SWG.
3. Posteriormente, de acordo com as especificações de corrente do projeto pretendido, mais fios podem ser adicionados em paralelo ao indutor durante o enrolamento, a fim de torná-lo compatível com a amperagem especificada.
4. O diâmetro do indutor dependerá da frequência, uma frequência maior permitiria diâmetros menores e vice-versa. Para ser mais preciso, a indutância oferecida pelo indutor torna-se maior à medida que a frequência é aumentada, portanto, esse parâmetro precisará ser confirmado por meio de um teste separado usando o mesmo IC 555 configurado.

Conversor de reforço de diagrama de circuito

Otimizando os controles do potenciômetro

A configuração acima mostra um circuito PWM IC 555 básico, que é equipado com potenciômetros separados para permitir uma frequência ajustável, e um saída PWM ajustável em seu pino # 3.

O pino # 3 pode ser visto conectado a uma configuração de conversor de reforço padrão usando o transistor TIP122, o indutor L, o diodo BA159 e um capacitor C.

O transistor BC547 é introduzido para limitar a corrente através do TIP122 de modo que durante o processo de ajuste quando os potenciômetros estão sendo ajustados, o TIP122 nunca pode cruzar o ponto de ruptura, assim, o BC547 protege o TIP122 de corrente excessiva e torna o procedimento seguro e infalível para o usuário.

A tensão de saída ou a tensão de reforço é monitorada em C para uma resposta ideal máxima durante todo o processo de teste.

O conversor de reforço IC 555 poderia então ser otimizado manualmente por meio das seguintes etapas:

• Inicialmente, defina o potenciômetro PWM para produzir o PWM mais estreito possível no pino # 3, e a frequência é ajustada para cerca de 20 kHz.
• Pegue um multímetro digital fixo acima da faixa de 100 V DC e conecte os prods em C com a polaridade apropriada.
• Em seguida, ajuste gradualmente o potenciômetro PWM e o monitor, enquanto a tensão em C continua a aumentar. No momento em que você perceber que a tensão está caindo, restaure o ajuste para a posição anterior que gerou a maior tensão possível no potenciômetro e fixe esta posição / preset do potenciômetro como o ponto ideal para o indutor selecionado.
• Depois disso, ajuste o potenciômetro de frequência de maneira semelhante para otimizar ainda mais o nível de tensão em C e defina-o para atingir o ponto de frequência mais eficaz para o indutor selecionado.
• Para determinar o ciclo de trabalho, é possível verificar a taxa de resistência do potenciômetro PWM, que seria diretamente proporcional à taxa de espaço de marcação do ciclo de trabalho de saída do pino # 3.
• O valor da frequência pode ser aprendido por meio de um medidor de frequência ou usando a faixa de frequência do DMM fornecido, se houver a facilidade, isso pode ser verificado no pino nº 3 do IC.

Seus parâmetros de indutor agora estão determinados e podem ser usados ​​para qualquer conversor de reforço para a melhor resposta ideal.

Determinando a corrente para o indutor

A especificação de corrente do indutor poderia ser aumentada simplesmente usando muitos fios paralelos ao enrolá-lo, digamos, por exemplo, você poderia usar cerca de 5 nos de fios 26SWG em paralelo para capacitar o indutor para lidar com 5 ampères de corrente. e assim por diante.

O próximo diagrama mostra o processo de otimização e cálculo de indutores em SMPS, para uma aplicação de conversor de Buck.

Conversor Buck de Diagrama de Circuito

O mesmo processo se aplica a esta configuração também, como foi feito com o projeto do conversor boost explicado acima.

Como pode ser visto, o estágio de saída agora foi alterado com um conversor Buck configurado, os transistores foram substituídos por tipos PNP e as posições do indutor e diodo foram alteradas apropriadamente.

Assim, usando os dois métodos acima, qualquer pessoa pode determinar ou calcular indutores em circuitos smps buck boost sem usar fórmulas complexas e inviáveis.