Construir um Circuito Conversor Buck Simples [Conversor Abaixador]

Construir um Circuito Conversor Buck Simples [Conversor Abaixador]

O circuito conversor buck prático explicado aqui usa apenas 3 transistores e é extremamente fácil de construir. Embora o circuito seja simples, tem uma alta eficiência.



O circuito pode ser usado para acionar LEDs de 3,3 V a partir de fontes de entrada mais altas, como entradas de alimentação de 12 V ou 9 V.

O projeto do conversor buck também pode ser facilmente atualizado para operar cargas nominais mais altas em vez de um LED.





Conteúdo

Funcionamento básico de uma topologia do Buck Converter

Referindo-se à figura abaixo, vamos tentar entender como funciona um conversor 'buck' ou 'step-down' . Com um circuito conversor buck, uma tensão de entrada mais alta pode ser transformada em uma tensão de saída mais baixa. Seu modo básico de operação é descrito a seguir.



  esquema funcional do conversor buck

Assim que a chave S é pressionada, uma tensão positiva se desenvolve no indutor L. Isso ocorre porque Uin é maior que Uout. A bobina inicialmente tenta resistir ao fluxo instantâneo de corrente. Como resultado, a corrente na bobina aumenta linearmente e a energia começa a ser armazenada na bobina.

Em seguida, assim que a chave S é aberta, a corrente armazenada flui através da bobina para o capacitor de saída através do diodo D.

Como a tensão UL através da bobina agora é negativa, a corrente através da bobina reduz linearmente. A saída recebe a energia que foi captada e armazenada na bobina. Agora, se o interruptor S for fechado novamente, o procedimento começará de novo e continuará repetindo enquanto o interruptor é ligado/desligado.

Modos de operação

A tensão que aparece na saída é determinada pela forma como a chave S é operada. De acordo com a figura abaixo, existem três tipos básicos de fluxo de corrente.

  Modos CM DM do conversor buck
  • Suponha que a chave S seja fechada em um ponto em que a corrente que flui dentro da bobina não tenha atingido zero, um fluxo de corrente sempre será experimentado através da bobina. Isto é referido como 'modo contínuo' (CM).
  • Se a corrente for capaz de chegar a zero durante parte do ciclo, conforme ilustrado na Figura 2(b), então o circuito está operando em 'modo descontínuo' (DM).
  • Quando a chave está sendo fechada exatamente quando a corrente da bobina atingiu zero, chamamos isso de operação de limite CM/DM.

Isso significa que, em um conversor buck, tanto a tensão de saída quanto a potência podem ser alteradas ajustando os períodos 'ligados' da chave. Isso também é chamado de relação marca-espaço.

Isso é teoria suficiente; agora vamos examinar um circuito simples do mundo real.

Fazendo um projeto prático de conversor Buck

A figura a seguir mostra um circuito conversor buck simples e prático usando apenas 3 transistores e alguns outros elementos passivos.

  circuito conversor buck simples

Funciona da seguinte maneira:

A chave S neste circuito é representada pelo transistor T1. Os outros componentes do conversor abaixador são o diodo D1 e a bobina L1.

Assim que o circuito é energizado, R3 fornece uma corrente de base para T2 (porque a especificação de tensão direta de D2 é maior que 0,7 V) e T2 é ligado.

Com T2 conduzindo, T1 recebe uma polarização de base e também começa a conduzir. Nesta situação, o ponto P sofre um aumento de tensão, o que faz com que T2 conduza ainda mais forte.

Agora, quando a tensão do ponto P atinge 9 V, a corrente através de L1 começa a aumentar. A tensão através da bobina e sua indutância influenciam a rapidez com que a corrente dentro dela aumenta.

À medida que a corrente na bobina aumenta, a tensão em R1 diminui. Assim que este potencial atinge 0,7 V (cerca de 70 mA) faz com que T3 ligue. Isso remove rapidamente a corrente de base de T1.

Como a corrente em L1 não pode mais aumentar, a tensão no ponto P começa a diminuir. T2 como resultado é desligado, seguido por T1.

A corrente via L1 agora viaja via D1 até cair para zero. Isso faz com que a tensão em T2 aumente novamente e o processo se repita novamente.

Os transistores funcionam como um tiristor com feedback positivo, resultando em uma oscilação. T3 garante que T1 seja desligado na corrente predeterminada e que o circuito opere no modo limite CM/DM.

Atualizando o circuito para cargas mais altas

Em vez de acender um LED, você pode empregar este circuito para operar uma carga nominal mais alta. Mas com uma carga maior, você verá que o conversor buck não oscila.

Isso se deve à carga que impede o R3 de ligar o T2 na inicialização.

Este problema pode ser evitado colocando um capacitor (0,1uF) entre o ponto P e a base de T2.

Outra jogada inteligente seria suavizar a tensão conectando um capacitor eletrolítico de 10 F na saída.

O conversor Buck funciona como uma fonte de corrente em vez de uma fonte de tensão e não é regulado. No entanto, para aplicações mais simples, isso será mais do que suficiente.

Como construir

  • Passo # 1: Pegue uma placa de tiras de uso geral de 20 mm por 20 mm.
  • Spep # 2: Limpe o lado de cobre com uma lixa.
  • Passo #3: Pegue os resistores e os diodos e dobre seus terminais deixando 1 mm de distância entre o corpo e os terminais.
  • Passo #4: Insira os resistores no PCB e solde-os. Corte os comprimentos de chumbo em excesso.
  • Passo #5: Insira os transistores de acordo com a mesma posição de layout indicada no esquema. Solde seus cabos e corte os cabos estendidos.
  • Passo #6: Agora, insira o indutor, solde-o e corte seus terminais.
  • Passo #7: Finalmente insira o capacitor e o LED, solde os cabos. Corte o excesso de fios

Uma vez feita a montagem acima, interligue cuidadosamente os fios dos vários componentes consultando o diagrama esquemático. Faça isso usando os pedaços dos fios de chumbo aparados, previamente cortados.

Se você não conseguir conectar os fios diretamente do lado do cobre, você pode usar o fio jumper do lado do componente da PCB.

Como testar

  • Mantenha o LED desconectado no início.
  • Aplique 9 V DC ao circuito.
  • Meça a tensão nos pontos onde o LED deve ser conectado.
  • Deve estar em torno de 3 V a 4 V.
  • Isso confirmará que você construiu o conversor buck corretamente e está funcionando corretamente.
  • Você pode desligar a energia e conectar o LED de volta em sua posição.
  • Agora ligue o DC novamente, você encontrará o LED iluminado da entrada de 9 V DC com máxima eficiência.

Como medir a eficiência

Para medir a eficiência você pode conectar um amperímetro em série com a linha positiva dos 9 V DC.

Então você pode multiplicar a leitura atual com a tensão (9 V).

O resultado pode ser algo em torno de 20% maior do que a especificação de watts do LED.

Isso pode provar uma eficiência de 80% para o circuito do conversor buck e da mesma forma.