Como funcionam os conversores Buck

O artigo abaixo apresenta um know-how abrangente sobre como funcionam os conversores de Buck.

Como o nome sugere, um conversor Buck é projetado para se opor ou restringir uma corrente de entrada causando uma saída que pode ser muito menor do que a entrada fornecida.

Em outras palavras, pode ser considerado um conversor redutor que pode ser usado para adquirir tensões ou correntes calculadas mais baixas do que a tensão de entrada.

Vamos aprender mais sobre o funcionamento de conversores de dólar em circuitos eletrônicos por meio da seguinte discussão:

The Buck Converter

Normalmente você pode encontrar um conversor Buck sendo usado em circuitos SMPS e MPPT que requerem especificamente que a tensão de saída seja reduzida significativamente do que a alimentação da fonte de entrada, sem afetar ou alterar a saída de potência, que é o valor V x I.

A fonte de alimentação para um conversor Buck pode ser de uma tomada CA ou de uma fonte de alimentação CC.

Um conversor de buck é usado apenas para aquelas aplicações onde um isolamento elétrico pode não ser criticamente necessário através da fonte de alimentação de entrada e da carga, no entanto, para aplicações onde a entrada pode estar em níveis de rede, então uma topologia flyback é normalmente usada através de um transformador de isolamento.

O dispositivo principal que é usado como o agente de comutação em um conversor buck pode ser na forma de um mosfet ou um BJT de energia (como um 2N3055), que é configurado para alternar ou oscilar em uma taxa rápida através de um estágio oscilador integrado com sua base ou portão.

O segundo elemento importante em um conversor Buck é o indutor L, que armazena a eletricidade do transistor durante seus períodos de LIGADO e a libera durante os períodos de DESLIGADO, mantendo um fornecimento contínuo para a carga no nível especificado.

Este estágio também é conhecido como 'Volante' estágio uma vez que sua função se assemelha a um volante mecânico que é capaz de sustentar uma rotação contínua e estável com a ajuda de impulsos regulares de uma fonte externa.

Entrada AC ou DC?

Um conversor buck é basicamente um circuito conversor de CC para CC projetado para adquirir uma fonte de CC, que pode ser uma bateria ou um painel solar. Isso também pode ser de uma saída de adaptador CA para CC obtida por meio de uma ponte retificadora e um capacitor de filtro.

Não importa qual seja a fonte da entrada CC para o conversor Buck, ela é invariavelmente convertida em alta frequência usando um circuito oscilador chopper junto com um estágio PWM.

Essa frequência é então fornecida ao dispositivo de comutação para as ações necessárias do conversor Buck.

Operação Conversor Buck

Conforme discutido na seção acima a respeito de como um conversor Buck funciona, e como pode ser visto no diagrama a seguir, o circuito conversor Buck inclui um transistor de comutação e um circuito Flywheel associado que inclui o diodo D1, o indutor L1 e o capacitor C1.

Durante os períodos em que o transistor está LIGADO, a energia passa primeiro pelo transistor e depois pelo indutor L1 e finalmente para a carga. No processo, o indutor, devido à sua propriedade inerente, tenta se opor à introdução repentina de corrente, armazenando a energia nele.

Esta oposição de L1 inibe a corrente da entrada aplicada para atingir a carga e atingir o valor de pico para os instantes iniciais de chaveamento.

Entretanto, nesse ínterim, o transistor entra na fase de desligamento, cortando a alimentação de entrada do indutor.

Com a alimentação desligada, L1 novamente enfrenta uma mudança repentina na corrente e, para compensar a mudança, elimina a energia armazenada através da carga conectada

Período de ativação do transistor

Referindo-se à figura acima, enquanto o transistor está na fase de ativação, ele permite que a corrente alcance a carga, mas durante os instantes iniciais da ativação a corrente é fortemente restrita devido à oposição dos indutores à aplicação repentina do atual através dele.

No entanto, no processo, o indutor responde e compensa o comportamento armazenando a corrente nele, e no curso alguma parte da alimentação pode atingir a carga e também para o capacitor C1, que também armazena a porção permitida da alimentação nele .

Também deve ser levado em consideração que, enquanto acontece o acima, o cátodo D1 experimenta um potencial positivo total que o mantém com polarização reversa, tornando impossível para a energia armazenada de L1 obter um caminho de retorno através da carga através da carga. Essa situação permite que o indutor continue armazenando energia nele sem nenhum vazamento.

Período de desligamento do transistor

Agora, referindo-se à figura acima, quando o transistor reverte sua ação de chaveamento, isto é, assim que é desligado, o L1 é mais uma vez introduzido com um súbito vazio de corrente, ao qual ele responde liberando a energia armazenada para a carga em a forma de uma diferença de potencial equivalente.

Agora, uma vez que T1 está desligado, o cátodo de D1 é liberado do potencial positivo e é habilitado com uma condição de base direta.

Devido à condição de polarização para frente de D1, a energia L1 liberada ou o EMF traseiro chutado pelo L1 é permitido para completar o ciclo através da carga, D1 e de volta para L1.

Enquanto o processo está sendo concluído a energia L1 sofre uma queda exponencial devido ao consumo da carga. C1 agora vem ao resgate e auxilia ou ajuda o EMF L1 adicionando sua própria corrente armazenada à carga, garantindo assim uma tensão instantânea razoavelmente estável para a carga ... até que o transistor ligue novamente para atualizar o ciclo de volta.

Todo o procedimento permite a execução da aplicação do conversor Buck desejada, em que apenas uma parte calculada da tensão e corrente de alimentação é permitida para a carga, em vez da tensão de pico relativamente maior da fonte de entrada.

Isso pode ser visto na forma de uma onda ondulada menor, em vez das enormes ondas quadradas da fonte de entrada.

Na seção acima, aprendemos exatamente como os conversores de Buck funcionam; na discussão a seguir, nos aprofundaremos mais e aprenderemos a fórmula relevante para determinar os vários parâmetros relacionados aos conversores de Buck.

Fórmula para calcular a tensão Buck em um circuito conversor Buck

A partir da decisão acima, podemos concluir que a corrente máxima armazenada dentro de L1 depende do tempo de LIGADO do transistor, ou o EMF traseiro de L1 pode ser dimensionado dimensionando apropriadamente o tempo de LIGADO e DESLIGADO de L, isso também implica que a saída a tensão em um conversor Buck pode ser predeterminada calculando o tempo ON de T1.

A fórmula para expressar a saída do conversor de buck pode ser testemunhada na relação dada abaixo:

V (saída) = {V (entrada) x t (LIGADO)} / T

onde V (in) é a tensão da fonte, t (ON) é o tempo ON do transistor,

e T é o 'tempo periódico' ou o período de um ciclo completo do PWM, que é o tempo gasto para completar um tempo LIGADO completo + um tempo DESLIGADO completo.

Exemplo resolvido:

Vamos tentar entender a fórmula acima com um exemplo resolvido:

Vamos supor uma situação onde um conversor Buck é operado com V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (tempo ON + tempo OFF)

t (LIGADO) = 1 ms

Substituindo-os na fórmula acima, obtemos:

V (saída) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Portanto, V (out) = 6V

Agora vamos aumentar o tempo do transistor fazendo t (ON) = 1,5ms

Portanto, V (out) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

A partir dos exemplos acima, torna-se bastante claro que em um conversor Buck o tempo de comutação t (ON) do transistor governa a tensão de saída ou a tensão Buck necessária, portanto, qualquer valor entre 0 e V (in) pode ser alcançado simplesmente dimensionando apropriadamente o Tempo ON do transistor de comutação.

Conversor Buck para suprimentos negativos

O circuito conversor Buck que discutimos até agora é projetado para se adequar a aplicações de alimentação positiva, uma vez que a saída é capaz de gerar um potencial positivo com referência ao aterramento de entrada.

No entanto, para aplicações que podem exigir um fornecimento negativo, o projeto pode ser ligeiramente modificado e tornado compatível com tais aplicações.

A figura acima mostra que simplesmente trocando as posições do indutor e do diodo, a saída do conversor Buck pode ser invertida ou tornada negativa em relação à entrada de aterramento comum disponível.