Conversor chaveado tipo buck

[Eduardo]

Oi Pessoal

Quero apresentar o resultado inicial dos meus estudos sobre fontes chaveadas. O circuito abaixo é um regulador chaveado para corrente de até 1A. Pode ser que ele aguente mais que isso, mas eu só testei até 1A.



A tensão de saída é determinada pelo zener D2. Testei com valores de 6,2V e 12,2V com ótimos resultados. A tensão de saída é muito estável e a variação de corrente provoca uma mudança na frequência de oscilação do chaveador, mas não altera o ripple de saída que fica em torno de 100mV e numa frequência mínima de 40kHz.

A voltagem de entrada mínima deve ser 3V acima da tensão do zener. A máxima é dada pelo tanto que a junção dos transistores e dos diodos aguenta. Eu testei até 35V sem problemas. Usei zener para 1W e se forem usados de menor potência, R3 deve ser aumentado para que a corrente máxima do zener não seja ultrapassada.

O funcionamento do circuito é bem interessante. O transistor T1 é o controle principal. Sempre que a tensão no capacitor C3 estiver abaixo da tensão em C1 ele irá conduzir. Quando T1 conduz, o par Darlington formado por T2 e T3 entra em saturação, forçando uma corrente por L1. Como sabemos, leva um tempo até que a corrente em um indutor comece a circular e parte da energia fica acumulada no campo magnético. Conforme a corrente aumenta, C3 é carregado aos poucos. Quando a carga de C3 supera a tensão em C1, T1 entra em corte, fazendo T2 e T3 entrarem em corte também. Neste momento o campo em L1 começa a retrair, e a corrente continua circulando através de D1. Dessa forma a energia acumulada no campo magnético é também enviada para C3. Quando a energia no campo magnético acaba, a tensão em C3 começa a cair e T1 volta a conduzir, reiniciando o processo.

O circuito original foi proposto por Roman Black no site:

http://www.romanblack.com/smps/smps.htm

As modificações que fiz foram ajustar os capacitores para elevar a frequência, incluir T3 para dar mais corrente e D3 para corrigir o erro na voltagem de saída causado pela junção base emissor de T1. O diodo D1 é do tipo Schottky para aumentar a eficiência do circuito, mas qualquer diodo rápido pode ser usado. Eu testei o 1N4148 com sucesso, mas a eficiência de fato cai.

Os transistores originais são o BC337 e BC327, mas qualquer par NPN e PNP pode ser usado. Eu testei com BC448/BC558 e KSP42/KSP92 com resultados equivalentes.

Da forma como está desenhado, o circuito converte uma entrada de 35V para 6,2V em 1A com eficiência de 87%. Ou seja, apenas 13% da energia vira calor. Um integrado 7806 faria o mesmo serviço convertendo 82% da energia em calor! Essa é a grande vantagem dos conversores chaveados!

Para obter outras tensões de saída, como 9V ou 12V, basta trocar o diodo zener. Se for usar uma entrada maior que 35V, o diodo D1 deve ser trocado por outro que aguente maior tensão. O 1N5819 só vai até 40V. Usando um 1N4148 e transistores KSP42/KSP92 eu consegui alimentar o circuito com 60V de um dobrador e tirar os mesmo 6,2V do outro lado, porém com eficiência de 60%.

O próximo passo é construir um elevador de tensão chaveado e teremos condição de alimentar pedais valvulados com fontes convencionais de 9V ou 12V sem problemas!

Abraços

Eduardo

[plautz]

Muito bom Eduardo.

Obrigado por compartilhar o resultado de seus estudos.

Forte abraço.

[Eduardo]

Oi Plautz

Errei o endereço!

Abraços

Eduardo

[plautz]

Eduardo,

Pois é: quando respondi você já tinha corrigido. Depois se apaga.

Me diz uma coisa: este circuito, segundo o que você disse, pode ser alimentado entre 9 e 35V com um transformador e retificação / filtragem simples (diodos e capacitores).

O que seria necessário para alimenar direto da tomada como, por exemplo, os carregadores de celular?

Abraços.

[FRED]

 Pelo menos em fontes de PC, a tensão AC na tomada é retificada e filtrada diretamente, como se fosse na saída de um transformador. Geralmente tem uns capacitores e indutores para corrigir picos e quedas na tensão de entrada. Após isso, eu não faço idéia.

[Eduardo]

Oi Plautz

O circuito só precisa de tensão contínua e pode ser filtrada porcamente. O que ele faz é transformar a modulação em amplitude do riple original em uma modulação em frequência. Fica bem legal de ver no osciloscópio. A frequência do chaveador oscila em 120Hz, mas o riple da saída se mantém constante em amplitude.

Este circuito não é indicado para ligar na tomada, por não ser isolado. Em tese, basta usar transistores como os KSP42/KSP92 e diodos rápidos para alta voltagem. Os resistores R1, R2 e R3 precisam ser alterados para que a corrente nos transistores e no zener fiquem em paramares aceitáveis. Na versão para 60V, usei R3 de 22K, R2 de 10K e R1 de 2k7.

O carregador de celular é um conversor isolado, que também é bem simples. Resolvi começar o estudo pelos não isolados para não ter que enrolar transformadores de ferrite já de cara. O processo é como o Fred disse, retifica, filtra porcamente com uns capacitores e depois alterna em frequência bem alta e onda quadrada. O transformador de ferrite é igual a um transformador convencional, mas opera em 60kHz e não 60Hz. Não tem novidade nenhuma!

O conversor buck nada mais é que criar uma onda quadrada de alta frequência com um valor RMS determinado e depois filtrar com um circuito LC para eliminar a componente alternada!

Abraços

Eduardo

[kem]

Eduardo... MUITO legal... parabéns.
Uma duvida... você acha que será facil aumentar a capacidade de corrente?
Pra uns 2 a 4A?
E pelo que entendi, posso alimentar com uma fonte chaveada de 9~12V na boa né? Preciso só calcular que tenha uns 15% a mais de corrente na fonte, certo?

[Eduardo]

Oi Kem

É fácil aumentar a corrente. Só é necessário um diodo Schottky com capacidade para a corrente que você quer e um indutor que não sature com essa corrente. O diodo pode ser trocado por um retificador comum para mais amperes, mas o indutor dá um pouco mais de trabalho. O fio usado para enrolar deve suportar a corrente.

Basicamente você vai esbarrar nos mesmo problemas de uma fonte valvulada com filtro indutivo. Quanto maior a corrente, maior deve ser o núcleo do indutor para não saturar.

O transistor de passagem, neste exemplo o 13007, deve ser capaz de conduzir a corrente necessária para carregar o indutor, que é sempre menor que a corrente de saída.

Abraços

Eduardo

[xformer]

Só duas pequenas observações e uma sugestão, que não interferem em nada no funcionamento do circuito.

- T2 e T3 formam um par (ou  conexão) Sziklai (ou par composto) e não par Darlington (ou conexão Darlington). Uma conexão Darlington é sempre formada por transistores de mesmo polaridade (só NPN ou só PNP, podendo ser até de mais de 2), e sempre com os coletores ligados em comum e um Vbe total de Vbe x número de transistores usados. Numa conexão Sziklai, o par é de transistores de polaridades diferentes (um NPN e um PNP, sobressaindo como polaridade resultante o do transistor driver) e só tem um Vbe, o que significa que ele precisa de uma tensão menor para "ligar" enquanto que no Darlington, precisa de uma tensão maior. Por outro lado a tensão Vce de saturação é menor no Darlington do que no Sziklai, o que resulta em menor perda de potência no Darlington.

- Normalmente nesses conversores chaveados, a frequência de chaveamento (ou comutação) não muda, o que muda é o ciclo ativo (duty cycle), numa modulação por largura de pulso (PWM). Não sei se o comportamento desse circuito é assim ou se muda também a frequência de operação, além do ciclo ativo.

Para fins didáticos eu acho legal esse circuito, mas para aplicações práticas eu sugiro o uso de CIs já feitos para isso como os LM2575 (buck 1A), LM2576 (buck 3A) e LM2577 (boost, inverter e flyback) que usam poucos componentes externos (geralmente 1 diodo schottky, alguns capacitores para filtro e bypass e resistores para configurar a tensão de saída no caso do regulador ajustável, além de um indutor). Não são difíceis de achar aqui no Brasil.  Os com sufixo HV podem ter tensão de entrada bem alta como 60Vdc.

[Eduardo]

Oi Xformer

Eu não conhecia o termo Sziklai. Para mim era tudo Darlington! Grato pela orientação.

Nos conversores buck a relação entre a tensão de entrada e saída é dada pela relação entre o ciclo ativo e o periodo de repouso. Então, dada uma tensão de entrada e uma tensão de saída, a relação entre o periodo ativo e inativo é fixa.

Havendo uma alteração na corrente, o ciclo ativo deverá ser mais longo, saturando mais o indutor Mas para manter a tensão de saída constante, o ciclo inativo deve ser dilatado na mesma proporção. Assim, a frequencia cai com o aumento da corrente.

Este circuito é parte de um estudo que estou fazendo para construção de fontes chaveadas para valvulados. No caso dos valvulados, não há circuito integrado comercial (ao menos não achei um) que atenda as necessidades de tensão e corrente. Por isso estou partindo do básico para entender o princípio de funcionamento e criar um circuito específico e versátil para ser usado com valvulados.

Abraços

Eduardo

[Rafael O Leite]

Muito legal! O que vocês postaram é bem interessante

[Eduardo]

Oi Pessoal

Cabe ainda dizer que embora o meu objetivo seja atender amplificadores valvulados, circuitos básicos como este proposto podem ser facilmente adaptados para quaisquer aplicações. Além disso, usando-se componentes básicos, mais pessoas poderão montar o dispositivo e estuda-lo.

Usei o transistor de potência 13007 apenas pelo fato de ser de alta tensão e meu objetivo é entrar com 350V no circuito. O circuito original usava apenas o BC327, respeitando a limitação de corrente. Qualquer outro transistor de potência rápido pode ser usado neste circuito. Não há componentes críticos.

O choque eu aproveitei de uma lâmpada econômica queimada. Essas lâmpadas também contém capacitores de 1nF e transistores da série 1300X que podem ser aproveitados. Tenstei com o 13002 e 13003 com sucesso.

Abraços

Eduardo

[agtsouza]

Buenas!
Pessoas, para fontes que trabalham com 90~240VCA da para se usar os tais LNK500, LNK362, TNY276, TNY380 como CI chaveadores, para realimentação óptos como o FOD817, EL817. A maior complicação aqui amigos é enrolar os transformadores, indutores mas daí existe a network ai de São Paulo (se não me engano) de a A. Severo Roth no RS em Porto Alegre...
Para testar tais CI's, basta botar o multímetro em teste de diodo, colocar a ponteira vermelha nos pinos em "comum"(são quatro pinos com mesma função) e nos 3 pinos restante medir um por um, no multímetro deve acusar um valor próximo de 400~600.
Bom, como é proibído a postagem de livros (já levei xingão por postar links) indico o seguinte livro sobre conversores CC-CC:
Eletrônica de Potência: Conversores CC-CC Básicos Não Isolados
Autores: Ivo Barbi e Denizar Cruz Martins
Abraço a todos!

[Eduardo]

Oi Agtsouza

O objetivo desde circuito é justamente fugir dos integrados e criar dispositivos que usem partes que as pessoas possam encontrar com facilidade a sua volta. Eu usei um intutor e transistores que tirei de uma lâmpada fluorescente compacta. Neste circuito o valor do indutor não altera a qualidade do resultado. O circuito é robusto. Qualquer valor entre 220uH e 4,7mH funciona. Eu testei.

Em circuitos com integrados, a robustez de funcionamento é sacrificada em pró de uma eficiência mais alta. O indutor precisa ser de um tipo específico. Os integrados não são fáceis de achar no comércio e saem de produção em 3 ou 4 anos.

Outro ponto é que com um circuito simples fica mais fácil de se entender os princípios de funcionamento dessa modalidade de fonte. Com integrados a coisa vira caixa preta. O circuito é didatico.

Mas me diga, você já montou algum circuito com esses integrados?

Abraços

Eduardo

[kem]

Ninguém vai montar um layout não?!?
E Eduardo... no caso de 1 valvula, esse conversor seria o ideal.
Mas se for usar 2 valvulas com filamentos de 6V, e eu usar uma fonte chaveadas dessas que vendem por ai, posso ligar em serie os filamentos e usar direto os 12V?
E como estão os testes do elevador de tensão?!? Esse eu to mais curioso. Tudo que achei na internet fala em no maximo 50mA. Da até pra alimentar um Iall 3.5... Mas será que é possivel uma corrente maior? Será que da pra chegar em 200~300mA?
Eu tinha ficado na duvida do porque não usar os CIs especificos, mas essa sua ultima resposta deixou claro. Fora que os CIs não são la muito baratos.
Parabéns de novo.
[]s