- Conceptos básicos de diseño del circuito convertidor de refuerzo
- PWM y ciclo de trabajo para el circuito del convertidor de refuerzo
- Mejorar la eficiencia del circuito convertidor de refuerzo
- Diseño de ejemplo para Boost Converter
En electrónica, un regulador es un dispositivo o mecanismo que puede regular la salida de potencia constantemente. Hay diferentes tipos de reguladores disponibles en el dominio de la fuente de alimentación. Pero principalmente, en el caso de la conversión de CC a CC, hay dos tipos de reguladores disponibles: Lineal o Conmutación.
Un regulador lineal regula la salida mediante una caída de voltaje resistiva y, debido a esto, los reguladores lineales proporcionan una menor eficiencia y pierden potencia en forma de calor.
En el otro lado, el regulador de conmutación usa inductor, diodo y un interruptor de encendido para transferir energía desde su fuente a la salida.
Hay tres tipos de reguladores de conmutación disponibles.
1. Convertidor elevador (regulador de impulso)
2. Convertidor reductor (regulador Buck)
3. Inversor (Flyback)
En este tutorial describimos el circuito del regulador de impulso de conmutación. Ya describimos el diseño del regulador de impulso en el tutorial anterior. Aquí discutiremos diferentes aspectos del convertidor Boost y cómo mejorar su eficiencia.
Conceptos básicos de diseño del circuito convertidor de refuerzo
En muchos casos, necesitamos convertir un voltaje más bajo en un voltaje más alto según los requisitos. El regulador de refuerzo aumenta el voltaje de un potencial más bajo a un potencial más alto.
En la imagen de arriba, se muestra un circuito regulador de refuerzo simple donde se utilizan un inductor, diodo, condensador y un interruptor.
El propósito del inductor es limitar la velocidad de respuesta actual que fluye a través del interruptor de encendido. Limitará el exceso de corriente de pico alto que es inevitable por la resistencia del interruptor individualmente.
Además, la almacena energía inductor, la energía medida en Julios E = (L * I 2 /2)
Entenderemos cómo los inductores transfieren energía en las próximas imágenes y gráficos.
En el caso de conmutar reguladores de refuerzo, hay dos fases, una es la fase de carga del inductor o la fase de encendido (el interruptor está cerrado en realidad) y la otra es la fase de descarga o la fase de apagado (el interruptor está abierto).
Si asumimos que el interruptor ha estado en la posición abierta durante mucho tiempo, la caída de voltaje en el diodo es negativa y el voltaje en el capacitor es igual al voltaje de entrada. En esta situación, si el interruptor se acerca, Vin se asusta a través del inductor. El diodo evita la descarga del condensador a través del interruptor a tierra.
La corriente a través del inductor aumenta linealmente con el tiempo. La tasa de aumento de la corriente lineal es proporcional al voltaje de entrada dividido por la inductancia di / dt = Voltaje a través del inductor / inductancia
En el gráfico superior, se muestra la fase de carga del inductor. El eje x denota t (tiempo) y el eje Y denota I (corriente a través del inductor). La corriente aumenta linealmente con el tiempo cuando el interruptor está cerrado o encendido.
Ahora, cuando el interruptor se apaga o se abre nuevamente, la corriente del inductor fluye a través del diodo y carga el capacitor de salida. Cuando aumenta el voltaje de salida, la pendiente de la corriente a través del inductor se invierte. El voltaje de salida aumenta hasta que se alcanza el voltaje a través del inductor = L * (di / dt).
La tasa de caída de la corriente del inductor con el tiempo es directamente proporcional al voltaje del inductor. Cuanto mayor sea el voltaje del inductor, más rápida será la caída de corriente a través del inductor.
En el gráfico anterior, la corriente del inductor cae con el tiempo cuando el interruptor se apaga.
Cuando el regulador de conmutación está en condiciones de funcionamiento de estado estable, el voltaje promedio del inductor es cero durante todo el ciclo de conmutación. Para esta condición, la corriente promedio a través del inductor también está en estado estacionario.
Si asumimos que el tiempo de carga del inductor es Ton y el circuito tiene un voltaje de entrada, entonces habrá un Toff o tiempo de descarga específico para un voltaje de salida.
Como el voltaje promedio del inductor es igual a cero en estado estable, podemos construir un circuito de refuerzo usando los siguientes términos
Vin X Tonelada = Toff x VL VL = Vin x (Tonelada / Toff)
Como el voltaje de salida es igual al voltaje de entrada y al voltaje promedio del inductor (Vout = Vin + VL)
Podemos decir eso, Vout = Vin + Vin x (Ton / Toff) Vout = Vin x (1 + Ton / Toff)
También podemos calcular el Vout usando el ciclo de trabajo.
Ciclo de trabajo (D) = Ton / (Ton + Toff)
Para el regulador de conmutación de refuerzo, la Vout será Vin / (1 - D)
PWM y ciclo de trabajo para el circuito del convertidor de refuerzo
Si controlamos el ciclo de trabajo, podemos controlar la salida de estado estable del convertidor elevador. Entonces, para la variación del ciclo de trabajo, usamos un circuito de control a través del interruptor.
Entonces, para un circuito regulador de refuerzo básico completo, necesitamos un circuito adicional que variará el ciclo de trabajo y, por lo tanto, la cantidad de tiempo que el inductor recibe energía de la fuente.
En la imagen de arriba, se puede ver un amplificador de error que detecta el voltaje de salida a través de la carga usando una ruta de retroalimentación y controla el interruptor. La técnica de control más común incluye la técnica de modulación de ancho de pulso o PWM que se utiliza para controlar el ciclo de trabajo de los circuitos.
El circuito de control controla la cantidad de tiempo que el interruptor permanece abierto o cerrado, dependiendo de la corriente consumida por la carga. Este circuito también se utiliza para un funcionamiento continuo en estado estable. Tomará una muestra del voltaje de salida y lo restará de un voltaje de referencia y creará una pequeña señal de error, luego esta señal de error se comparará con una señal de rampa de oscilador y desde la salida del comparador una señal PWM operará o controlará el interruptor. circuito.
Cuando cambia el voltaje de salida, el voltaje de error también se ve afectado. Debido al cambio de voltaje de error, el comparador controla la salida PWM. El PWM también cambió a una posición en la que el voltaje de salida crea un voltaje de error cero y, al hacer esto, el sistema de circuito cerrado de control ejecuta el trabajo.
Afortunadamente, la mayoría de los reguladores de impulso de conmutación modernos tienen esto incorporado dentro del paquete IC. Por lo tanto, se logra un diseño de circuitos simple utilizando los reguladores de conmutación modernos.
La tensión de retroalimentación de referencia se realiza mediante una red de divisores de resistencias. Este es el circuito adicional, que se necesita junto con el inductor, los diodos y los condensadores.
Mejorar la eficiencia del circuito convertidor de refuerzo
Ahora, si investigamos sobre la eficiencia, es cuánta energía proporcionamos dentro de los circuitos y cuánta obtenemos en la salida.
(Puchero / Pin) * 100%
Como la energía no se puede crear ni destruir, solo se puede convertir, la mayoría de las energías eléctricas pierden poderes no utilizados convertidos en calor. Además, no existe una situación ideal en el campo práctico, la eficiencia es un factor más importante para seleccionar reguladores de voltaje.
Uno de los principales factores de pérdida de potencia de un regulador de conmutación es el diodo. La caída de voltaje directa multiplicada por la corriente (Vf xi) es la potencia no utilizada que se convierte en calor y reduce la eficiencia del circuito regulador de conmutación. Además, es el costo adicional de los circuitos para las técnicas de gestión térmica / térmica que utilizan un disipador de calor o ventiladores para enfriar los circuitos del calor disipado. No solo la caída de voltaje directa, la recuperación inversa para diodos de silicio también produce una pérdida de energía innecesaria y una reducción de la eficiencia general.
Una de las mejores formas de evitar un diodo de recuperación estándar es usar diodos Schottky en lugar de diodos que tienen una caída de voltaje directa baja y una mejor recuperación inversa. Cuando se necesita la máxima eficiencia, el diodo se puede reemplazar utilizando MOSFET. En la tecnología moderna, hay muchas opciones disponibles en la sección del regulador de impulso de conmutación, que brindan más del 90% de eficiencia fácilmente.
Además, hay una función "Modo de omisión" que se utiliza en muchos dispositivos modernos que permite al regulador omitir los ciclos de conmutación cuando no hay necesidad de conmutar con cargas muy ligeras. Es una excelente manera de mejorar la eficiencia en condiciones de carga ligera. En el modo de salto, el ciclo de conmutación se inicia solo cuando el voltaje de salida cae por debajo de un umbral de regulación.
A pesar de tener mayor eficiencia, técnica de diseño estacionario, componente más pequeño, los reguladores de conmutación son ruidosos que un regulador lineal. Aún así, son muy populares.
Diseño de ejemplo para Boost Converter
Anteriormente creamos un circuito regulador de refuerzo utilizando MC34063 donde la salida de 5 V se genera a partir del voltaje de entrada de 3,7 V. MC34063 es el regulador de conmutación que se utilizó en la configuración del regulador de refuerzo. Usamos un inductor, un diodo Schottky y condensadores.
En la imagen de arriba, Cout es el capacitor de salida y también usamos un inductor y un diodo Schottky que son los componentes básicos de un regulador de conmutación. También se utiliza una red de comentarios. Las resistencias R1 y R2 crean un circuito divisor de voltaje que se necesita para la etapa de amplificación de error y PWM del comparador. El voltaje de referencia del comparador es de 1,25 V.
Si vemos el proyecto en detalle, podemos ver que este circuito regulador de impulso de conmutación MC34063 logra una eficiencia del 70-75%. Se puede mejorar aún más la eficiencia utilizando la técnica de PCB adecuada y obteniendo procedimientos de gestión térmica.