Experimentos com fonte chaveada para alta tensão

[juloliveira]

Pessoa,

Não é mais uma fonte de bancada, mas preferi manter na mesma thread pra não criar outro tópico desnecessário.
Estou tentando criar uma fonte chaveada baseada em diversos circuitos que andei estudando (Como o Bilé e o XConverter)

Eu usei algumas peças que eu tenho disponíveis, gostaria de compartilhar a ideia, a experiência e pedir ajuda para entender melhor tudo que acontece até aqui.

Bom, monteu um circuito PWM mais simples possível com um 555. Acho que circuito mais simples do que este não existe. Segue as imagens do circuito e a montagem.










Nas imagens você podem ver o funcionamento do PWM e a regulagem do pulso.
Pois bem, meus primeiros testes são apenas para estudo, entendendo o comportamento desses circuitos.

Bom, com o PWM, montei um circuito de chaveamento tão simples quando o PWM, com o pulso ligado diretamente (sem um driver) do gate de um MOSFET IRPF460, o source no terra e o drain com de um lado, um indutor de exatos 100uH de 1.8A e um diodo UF do outro, com um capacitor e 120uF/450V na sequência.

Apenas com isso, já consegui 260 volts sem carga (acho vai até um pouco mais, o capacitor estava carregando).

A partir daí, começam minhas dúvidas.

Quando ligado no circuito chaveador, o PWM fica distorcido e muda a frequência, devido a carga, a minha fonte cai a voltagem (É uma fonte handmade que fiz com um transformador 18+18 de 3A, com diodos 1N4007 e regulada por um LM338 com arranjo do datasheet).

Preciso de um driver depois do PWM?

A alta tensão quase não aguenta nenhuma carga. Devido a esse arranjo simples, bem simples, qual seria uma carga máxima que eu conseguiria?

Seguem algumas imagens:









Valeu!

[xformer]

Juliano você não postou o esquema do circuito que montou, então não vou ter certeza de algumas premissas que vou assumir.

Primeiro, não sei qual a tensão de alimentação do 555, então não sei se os pulsos de saída serão suficientes para ligar completamente o MOSFET (tensão de gate-source de threshold). Isso é muito importante de acontecer, o MOSFET precisa ser ligado completamente (saturado) e não ficar na região linear (senão ele esquenta e introduz perdas no sistema) ou completamente desligado (cortado - pelo mesmo motivo). A necessidade do driver depende disso, além de ter que desligar rapidamente também.
Além disso veja de quanto é a resistência de dreno-fonte (Rdson) do MOSFET quando saturado. Use um MOSFET com o menor valor possível (pois isso também introduz perda).

Segundo, o valor de indutância depende da frequência de chaveamento (e pelo que vi na captura do scope é de 1,6kHz -  o que é baixa). Existem cálculos pra se determinar o valor do indutor (no caso do MC34063 tem a fórmula na datasheet). As coisas não são chutadas.

Terceiro, esses circuitos de conversor DC-DC precisam de uma malha de realimentação para haver a regulagem e estabilização do circuito. A frequência do PWM é fixa, o que varia é o duty-cycle (ciclo ativo) que depende da carga exigida. De qualquer forma não espere muita corrente de saída.

Quarto, ao operar com frequências maiores de chaveamento (em torno de 40kHz) o capacitor de saída deve ser bem menor do que o que você usou (menos do que 1uF). Não adianta usar valor alto de capacitor, pois a recarga precisa ser rápida e a saída precisa responder rapidamente para a malha de realimentação.

Quinto, o MC34063 custa tanto quando o 555, e é especializado para esse tipo de circuito, tendo portanto mais recursos pra implementar esses conversores.

[juloliveira]

@xformer,

Tinha um (spoiler) ali que eu editei e removi, tem a voltagem usada no PWM, 12v.
Também tinha o print do scope com duas visões do PWM sem estar ligado ao MOSFET com frequência de 4.4kHz até 55kHz (variando o pulso).
Mas quando ligado no MOSFET a frequência (devido a carga, imagino) fica toda distorcida e caia para 1.6kHz.

Segue o circuito de chaveamento (ignore o código dos componentes) o esquema do PWM está no post anterior (eu removi o spoiler)




Eu usei essa calculadora pra chegar a valores aproximados:
Boost Converter

Eu já encomendei o MC34063, que está no projeto do XConverter (Você mesmo que montou, né) e o MC34063  já tem por exemplo, um driver interno se não me engano. Minha intenção ao montar com o 555 é aprender a usar opto-acopladores e o conceito de driver nestes circuitos PWM.

Eu cheguei a frequências maiores mudando o capacitor do pino 5, estou mesmo fazendo experiências e visualizando o comportamento dos circuitos.
O capacitor é o que eu tenho disponível, tirei de uma fonte, sei que ele é muito grande mesmo e dessa questão da velocidade de carregamento.

Eu tenho um TLP250 que comprei pra outro projeto e acabei não usando, porém, ainda não sei usar bem. Será que ele faria com que a frequência do PWM não distorcesse como acontece quando ligado direto no MOSFET?

COm esse PWM através do 555 posso implementar um circuito de realimentação para regular o PWM?
Vou procurar um capacitor menor.

Abração

[xformer]

COm esse PWM através do 555 posso implementar um circuito de realimentação para regular o PWM?

Veja esse tópico do Ferro Velho:
http://www.handmades.com.br/forum/index.php?topic=5872.0

[Ledod]

 Continuando os tópicos do Xformer.... rs

 Sexto:

 O PWM tem um duty cicle "prático" máximo (digo prático porque teoricamente você conseguiria uma tensão infinita na sáida caso tudo fosse ideal), não é apenas chavear o mosfet. Vendo a forma de onda aplicada no gate, ele está quase curto circuitando a fonte (pense, ele está muito mais em condução do que aberto).

 Sétimo:

 Os indutores tem permeabilidade magnética muito alta, mas como qualquer componente real, saturam também. Isso significa que, mesmo aumentando a corrente média que passa através do indutor, ela não irá aumentar o fluxo magnético armazenado no núcleo, ocasionando aquecimento e baixa eficiência.

 Oitavo:

 Para o dimensionamento correto de qualquer conversor você nunca parte da entrada "para ver o que eu consigo na saída", você primeiro especifica a tensão e corrente de saída (potência), e dai parte para os cálculos da frequência, indutância, corrente máxima e média no indutor, etc...

 Esses conversores tem uma eficiência limitada (acho que chegam a uns 60% a 80% quando bem dimensionados e com componentes de baixa perda). Assim, se você quiser uns 10w na saída vai precisar ter uns 17w na entrada...

 E claro, sem realimentação da saída, qualquer carga que você colocar vai fazer a tensão cair mesmo.

 Um abração,

 Eduardo

[juloliveira]

Obrigado pelas respostas. Xformer, eu já havia lido aquele post, já reli mais umas duas vezes, vou continuar relendo até me sentir mais conformtável com as informações dali.

Algumas dúvidas:

Frequência fixa: No scope, conforme eu giro o potenciômetro do PWM (variando o comprimento do pulso) a frequência muda também (ver as duas primeiras prints do scope). Meu circuito PWM está errado?

Curto-circuitando: Você se refere ao 555, certo? Ligando o PWM no gate do mosfet, quando o pulso está no ciclo ativo (12v) o gate forma resistencia quase que curto circuitando o 555, por isso que a onda está distorcendo. É isso?

O 555, a saida do pulso deve ser no pino 3, porém, o circuito que eu fiz, a saida do pulso vem do pino 7. Quanto "errado" isto está?

Eu estou com um pouco de dificuldade de achar um material que eu consiga entender sobre realimentação na saída. Acho que o assunto é bem complexo e o que eu tenho lido não me esclareceu muito. Podem me indicar algum material?

[xformer]

O 555 não é um gerador PWM, ele funciona como multivibrador astável para gerar uma oscilação. Quando você altera o trimpot de ajuste  de ciclo ativo, altera também a frequência do sinal e isso não pode acontecer num conversor desses.  O 555 não é das melhores escolhas pra fazer isso.

O conceito da realimentação é simples: existe uma referência de tensão interna nos cis de conversores DC-DC (geralmente 1,25Vdc). Essa tensão é comparada constantemente com uma amostra da tensão de saída  (tem um divisor de tensão que reduz a tensão de saída para um valor próximo da tensão de referência). Se a tensão de referência for maior do que a amostra reduzida da tensão de saída, o comparador faz o oscilador aumentar o ciclo ativo do sinal de chaveamento. No caso inverso, se a tensão de referência for menor do que a amostra reduzida da saída, então o comparador faz o oscilador diminuir o ciclo ativo do sinal de chaveamento. Isso é feito constantemente e a frequência é sempre fixa, de forma que o que varia é apenas a largura dos pulsos que ligam ou desligam o elemento chaveador (transistor) de forma a aumentar ou diminuir a energia enviada para o conversor. 
Com o 555 fica meio limitado fazer essa realimentação, usam o pino 5 (control voltage) pra ter essa função, mas ele altera a frequência.
Nesse seu circuito a topologia usada para o 555 é meio diferente das convencionais, mas mesmo assim, o 555 continua não sendo um controlador PWM com frequência fixa.

[Patines]

juloliveira:
Dá uma olhada no  CI 3524, que serve ao que tu quer fazer nas tuas experiências e tem uns transistores de saída que podem controlar bem a corrente que tu precisa.  Pode funcionar realimentado ou com largura fixa(se tu construir o circuito de teste que está no datasheet).  Este CI trabalha com frequência fixa e pode fornecer um ciclo ativo de 0-45% ou 0-90%, dependendo se usa os dois transistores internos juntos ou separados.

Veja o datasheet: http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/philips/SG3524.pdf
Tem no mercadolivre: http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-551071310-ci-sg3524-_JM

Mas também deve ter em muitas lojas de eletrônica por aí, já que é bem manjado.

Abraços, Saúde e amor!

[juloliveira]

Obrigado xformer, sempre muito esclarecedoras tuas explicações.
A realimentação no esquema do XConverver então está nos resistores R4, R5, R6 e R7 (que o valor depende da saída). É isso, certo?



Patines,

Obrigado também pela dica.
Esse SG3524 que você recomendou tem 16 pinos. O XConverter usa um MC34063 de 8 pinos. Vou comprar os dois para estudar os dois CI´s.
O SG3524 parece ter bem mais recursos internos. Poderia me dizer (sinteticamente) o que se poder fazer a mais com esse conjunto de recursos a mais se comparando com o MC34063?

[xformer]

A realimentação no esquema do XConverter então está nos resistores R4, R5, R6 e R7 (que o valor depende da saída). É isso, certo?

Exatamente, o divisor de tensão formado por esses resistores, reduz e gera uma tensão pra ser comparada com a referência de tensão interna do integrado. Só que não é o valor do resistor que depende da tensão de saída, mas o contrário. Ao mudar o valor de R7, se altera o valor da relação do divisor de tensão, de forma a realimentar o ci com um valor diferente de redução da tensão de saída e assim fazer com que ela estabilize em outro nível. Também poderia haver um trimpot nesse divisor de tensão de forma a poder ajustar a tensão de saída.
Só pra complementar as funções dos demais componentes: R1 e R2 formam um resistor de baixo valor que serve para fazer um sensoreamento da corrente de entrada do conversor, se a corrente passar de um certo valor (por exemplo por curto) que cause um queda de tensão limite, o ci desliga.  D1 e Q1 fazem parte do driver do MOSFET e tem a função de chavear para off mais rapidamente (pra que ele não esquente). No MC34063 tem um transistor chaveador interno, mas como ele só aguenta uns 40V de Vce, precisa de um MOSFET externo de alta tensão pra chavear nesse conversor de tensões mais altas. L1, D2 e C4 formam a configuração de conversor tipo boost, onde pulsos de alta tensão são gerados quando o MOSFET é cortado (desligado), a energia acumulada no indutor é passada então pelo diodo e recarrega o capacitor C4. O indutor seguinte L2, o diodo e o capacitor são apenas para filtragem adicional.

[Patines]

Esse SG3524 que você recomendou tem 16 pinos. O XConverter usa um MC34063 de 8 pinos. Vou comprar os dois para estudar os dois CI´s.
O SG3524 parece ter bem mais recursos internos. Poderia me dizer (sinteticamente) o que se poder fazer a mais com esse conjunto de recursos a mais se comparando com o MC34063?

Eu não estava pensando no número de pinos, mas na disponibilidade e versatilidade na hora de fazer experiências, que eu acho que é isso que tu está fazendo: aprendendo.

O 555 não é bom pra isso que tu está usando.

No mais, o aprendizado é livre.  Leia lá o datasheet do 3524 que tudo fica mais claro.  Acho que tu deveria também ler o datasheet do MC34063.  Tudo que eu possa te falar aqui é pouco comparado ao que está escrito no datasheet e internet afora.

Abraços, Saúde e amor.

[blackcorvo]

Essa semana eu me deparei com esses projetos de fontes de alta tensão com o MC34063, e uma coisa me veio à cabeça:

Para conseguir maior capacidade de corrente, usando-se um transistor chaveador, não poderia-se colocar a bobina ligada diretamente à V+ ao invés de passar por R1 e R2?
Afinal, a corrente do indutor nesse caso não passa pelo CI, e sim pelo transistor. Isso não faria a capacidade de corrente de saída aumentar? Ou é mais viável simplesmente reduzir a resistência usada?

Digo isso pois imagino esse tipo de projeto para ser usado na alimentação de mini-amps (até 3w).

[xformer]

Essa semana eu me deparei com esses projetos de fontes de alta tensão com o MC34063, e uma coisa me veio à cabeça:

Para conseguir maior capacidade de corrente, usando-se um transistor chaveador, não poderia-se colocar a bobina ligada diretamente à V+ ao invés de passar por R1 e R2?
Afinal, a corrente do indutor nesse caso não passa pelo CI, e sim pelo transistor. Isso não faria a capacidade de corrente de saída aumentar? Ou é mais viável simplesmente reduzir a resistência usada?

Digo isso pois imagino esse tipo de projeto para ser usado na alimentação de mini-amps (até 3w).

R1 e R2 formam o que na datasheet é o Rsc (resistor sense current) que serve como sensor de corrente para o CI. Essa parte do CI funciona como um disjuntor, desligando a fonte se houver um excesso de corrente consumida (e.g. curto circuito). Isso ocorre pelo pino 7 (Ipk), se a diferença de tensão entre Vcc e Ipk for maior do que 0,3V (Rsc x Iconsumida), dispara a proteção. É apenas uma segurança para o circuito. Assim como na instalação elétrica da sua casa pode não ter disjuntores ou fusíveis, isso não é recomendado pelos técnicos.

Você pode não usar esse recurso, mas a limitação de potência não é por aí, já que o transistor chaveador teria que se comportar como uma chave perfeita (com baixíssima resistência quando acionado) pra não esquentar com correntes mais altas e o indutor precisa ser dimensionado para conseguir armazenar a energia (magnética) para haver a conversão de tensão. Mesmo com o Rsc, eu consigo sem problemas quase 5W na saída.

[blackcorvo]

R1 e R2 formam o que na datasheet é o Rsc (resistor sense current) que serve como sensor de corrente para o CI. Essa parte do CI funciona como um disjuntor, desligando a fonte se houver um excesso de corrente consumida (e.g. curto circuito). Isso ocorre pelo pino 7 (Ipk), se a diferença de tensão entre Vcc e Ipk for maior do que 0,3V (Rsc x Iconsumida), dispara a proteção. É apenas uma segurança para o circuito. Assim como na instalação elétrica da sua casa pode não ter disjuntores ou fusíveis, isso não é recomendado pelos técnicos.

Você pode não usar esse recurso, mas a limitação de potência não é por aí, já que o transistor chaveador teria que se comportar como uma chave perfeita (com baixíssima resistência quando acionado) pra não esquentar com correntes mais altas e o indutor precisa ser dimensionado para conseguir armazenar a energia (magnética) para haver a conversão de tensão. Mesmo com o Rsc, eu consigo sem problemas quase 5W na saída.

Eu imaginei que seria algo assim. Então seria melhor mesmo reduzir Rsc pra talves 0,11R (2x 0,22R em paralelo) e usar um transistor com RDS(on) baixo.

[Thomas_h]

Oi Blackcorvo,

vi seu comentário no Diystompboxes alguns dias também, você chegou a ver esse tópico:
http://www.diystompboxes.com/smfforum/index.php?topic=112122.msg1033628#msg1033628

Segundo o projetista ele conseguiria algo como 220v com 40mA com o chaveamento controlado pelos transistores, trabalhando com frequências maiores.
Alguns CI's parecem ter limitação de frequência como o 555 na ordem dos 50hz, por isso o uso de componentes discretos, não sei se esse é o caso do MC34063.

Acho que daria tranquilamente montar algo com uma 6ak6 na saída em SE, ou até com a ecl82, você só precisaria de uma fonte de 12v mais potente.

Acho que o problema no fim é a seleção dos componentes com low ESR como capacitores, mosfets e os indutores, que são difíceis de achar no Brasil e no ebay, e a mouser tem um frete assustador.

Além disso, minha intenção sempre é fazer o menor possível, seria muito legal fazer algo assim em SMD de forma que coubesse dentro de uma caixa de pedal e ainda houvesse bastante espaço para o restante dos componentes.

Abraços