Projeto Eficiente de Conversor Buck 12V para 5V

Circuito Conversor 12V para 5V — Conversão DC-DC Step Down

Nem sempre temos uma bateria de 5V prontamente disponível, e às vezes precisamos de tensão mais alta e uma tensão mais baixa ao mesmo tempo para acionar diferentes partes do mesmo circuito. Para resolver este problema, usamos uma tensão mais alta, que no nosso caso é uma bateria de 12V como fonte principal de energia e reduzimos esta tensão para obter uma tensão mais baixa, digamos 5V, onde for necessário. Para alcançar isso, um circuito CONVERSOR BUCK é usado em muitos gadgets e aplicações eletrônicas que reduzem a tensão para atender à exigência da carga.

Primeiro, deixe-me falar sobre conversores. Amplamente, existem três tipos de conversores: o primeiro sendo conversor Buck que reduz a tensão de uma tensão de fonte mais alta. Segundo, conversor Boost, que eleva a tensão de uma tensão de fonte mais baixa. Além disso, existe outro conversor que é uma combinação dos dois arranjados de alguma forma, o mais popular é conversor Buck-Boost que primeiro reduz a tensão e depois eleva para o valor necessário. Tentarei explicar cada um dos conversores mencionados acima em algum detalhe para que a compreensão da circuitaria futura faça mais sentido.

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O Que é um Conversor Buck?

Um conversor buck (também conhecido como conversor step down) é um conversor DC-para-DC, que reduz a tensão da entrada para sua saída. Conversor buck atinge sua saída usando dispositivos de comutação semicondutores, que são geralmente diodos e transistores arranjados em uma ordem particular e cada um comutado durante certos tempos para finalmente dar a saída necessária. Conversores buck podem ser altamente eficientes, às vezes frequentemente tão alto quanto 90%.

O circuito básico do conversor buck consiste no transistor de comutação, junto com o circuito de roda livre. Quando o transistor está no estado LIGADO, a corrente flui através da carga via indutor. O indutor opõe mudanças na direção do fluxo de corrente, também armazenando energia no processo. O diodo, que está conectado em paralelo à carga, agora não está operacional, pois está em polarização reversa.

A corrente fluindo no circuito também carrega o capacitor. Agora, quando o transistor é desligado, o capacitor carregado e o indutor aplicam uma tensão através da carga por causa da f.e.m. reversa, agora que não há fonte de tensão no circuito. A energia armazenada no indutor é suficiente para pelo menos uma parte do tempo em que a chave está aberta. Se os tempos para os quais a chave é mantida LIGADA e DESLIGADA mudam, isso, por sua vez, muda a tensão DC de saída entre 0V e V_in.

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O diagrama abaixo mostra uma operação simples do conversor buck.

O Que é um Conversor Boost?

Similar a um conversor buck, um conversor boost (também conhecido como conversor step up) também é uma classe de conversores de fonte de alimentação de modo de comutação. Mas a operação de um conversor boost é exatamente o oposto da de um conversor buck. O conversor buck reduz a tensão de um valor de fonte mais alto para o valor necessário, enquanto o conversor boost eleva a tensão de um valor mais baixo de fonte.

O princípio básico de um conversor boost consiste em dois estados distintos. No primeiro estado, o estado LIGADO é quando o indutor conectado ao lado da fonte é carregado quando a chave está LIGADA. Então, quando a chave está DESLIGADA, o único caminho oferecido para a corrente do indutor fluir é através do diodo de retorno, o capacitor e a carga. Isso resulta na transferência de energia que foi acumulada no estado LIGADO para o capacitor. Se o ciclamento da chave for bastante rápido, o indutor não descarregará completamente entre os estados de carga. Portanto, a tensão através da carga será sempre maior que a da fonte de entrada quando a chave estiver DESLIGADA.

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O diagrama abaixo mostra uma operação simples do conversor boost.

Conversor Buck-Boost

Conversor Buck-Boost é um tipo de conversor DC-DC. Tem magnitude de tensão de saída maior ou menor que a magnitude de sua tensão de entrada.

Conversor buck-boost inversor tendo um princípio muito básico. Enquanto no estado LIGADO a operação é similar à de um conversor boost, onde o indutor armazena energia. Um capacitor fornece energia à carga durante este tempo é conectado através da carga. Enquanto no estado DESLIGADO, o indutor é conectado à carga de saída e ao capacitor, então a energia armazenada no indutor é dada ao capacitor e à carga. O capacitor é carregado durante este tempo.

Um diagrama simples abaixo mostra o princípio de funcionamento de um conversor Buck-Boost.

Agora, existem muitas maneiras de alcançar nosso CONVERSOR BUCK necessário, mas usamos o regulador de comutação mais popular disponível neste segmento, usando o CI MC34063. O outro método popular é por um circuito de MOSFETs comutados de acordo com um padrão fixo.

Componentes Necessários

1. CI regulador de comutação MC34063
2. Diodo Schottky 1N5819
3. Resistores 2k
4. Resistores 6,2k
5. Resistores 26 Ohms
6. Indutor 62 uH, 1,5A
7. Capacitor 100uF, 25V e 359uF, 25V
8. Capacitores cerâmicos de disco 428pF
9. Unidade de fonte de alimentação 12V com classificação 1,5A
10. Fios de conexão

CI MC34063

MC34063 é um circuito de controle monolítico tendo todas as funções necessárias para a construção de conversores DC-para-DC. Consiste em múltiplas funções, que são comparador, oscilador, chave de saída de alta corrente e limite de pico de corrente ativo. MC34063 está disponível em pacotes DIP, SOIC e SON. Existem oito pinos em cada. A tabela é dada abaixo.

Pinout MC34063
Nº do Pino	Nome do Pino	Descrição
1	Coletor da Chave	Entrada do coletor da chave interna de alta corrente
2	Emissor da Chave	Entrada do emissor da chave interna de alta corrente
3	Capacitor de Tempo	Conectar um capacitor de tempo a uma frequência de comutação variável
4	Terra (GND)	Terra (GND)
5	Entrada Inversora do Comparador	Conectar uma rede divisora de resistor para construir um loop de realimentação
6	Tensão (Vcc)	Tensão de alimentação lógica
7	Ipk	Entrada de sentido de limite de corrente
8	Coletor do Driver	Entrada do coletor do transistor driver par Darlington

Alguns recursos do CI MC34063 são os seguintes:

1. Referência compensada por temperatura
2. Circuito de limite de corrente
3. Oscilador de ciclo de trabalho controlado com chave de saída de alta corrente ativa
4. Aceita 3,0V a 40,0V CC
5. Pode operar a 100KHz de frequência de comutação com tolerância de 2%
6. Corrente de espera muito baixa
7. Tensão de saída ajustável

Além disso, este CI é amplamente disponível e é muito mais custo-eficiente que outros CIs disponíveis neste segmento. É por isso que vamos usar este CI para nosso circuito.

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O pinout do MC34063 é como dado abaixo.

Existem muitas aplicações associadas ao MC34063, algumas delas são Interface Homem-Máquina (IHM), Dispositivos portáteis, Medição e teste, Analisadores de gás e sangue, computação, Telecomunicações, Soluções de cabo, etc.

1N5819

O 1N5819 é um diodo de potência metal-silício, também denominado Retificador Schottky, que aplica o Princípio da Barreira Schottky. É usado principalmente como retificadores em inversores de baixa tensão alta frequência, diodos de proteção de polaridade e diodos de roda livre. Também é chamado de diodo de barreira de superfície, diodo de elétrons quentes ou diodo de portadores quentes. É um pouco diferente de diodos de junção PN normais onde metal como platina ou alumínio é usado no lugar de semicondutor tipo P. No diodo Schottky, semicondutor e metal unidos, formando uma junção metal-semicondutor onde o lado do semicondutor atua como cátodo e o lado do metal atua como ânodo. Quando a junção metal-semicondutor é formada entre metal e semicondutores, resulta em uma camada de depleção também referida como barreira Schottky.

Schottky vem com carga armazenada baixa e exibe menor perda de potência e características mecânicas de maior eficiência. É fabricado de forma que todas as superfícies externas são resistentes à corrosão e terminais são facilmente soldáveis onde a corrente flui em apenas uma direção e impede o fluxo de corrente na outra direção. A queda de potência que acontece neste diodo é menor que diodos de junção PN. Quando tensão é aplicada através dos terminais do diodo, a corrente começa a fluir, resultando em pequena queda de tensão através dos terminais. A menor queda de tensão resulta em maior eficiência e maior velocidade de comutação.

O diagrama esquemático acima mostra o símbolo elétrico para um diodo Schottky.

Diagrama do Circuito 12V — 5V

O diagrama de circuito acima mostra o circuito junto com todos os valores calculados para nossa operação necessária.

Funcionamento do Circuito 12V para 5V

Conecte o circuito como dado no diagrama do circuito corretamente. Primeiro, para alimentar este chip, conectamos +V ao pino 6 e o pino 4 à terra. Ao mesmo tempo, conectamos um capacitor C_IN para filtrar ruído excessivo da fonte de alimentação. Pino 3 é conectado a C_T que determina a velocidade de comutação do circuito. Pino 5 é o terminal inversor do comparador. A tensão do terminal não inversor é 1,25 V do regulador de tensão interno. Ao terminal inversor, colocamos uma rede de resistores composta por dois resistores. Estes decidem o ganho do comparador operacional. Dessa forma, fazemos um conversor buck que agora reduz nossa entrada de 12V CC para 5V CC.

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Aplicações

Existem muitas aplicações em nossas vidas diárias, que aceitam apenas entradas de baixa tensão. Eles também precisam de 5V regulado para segurança. Por exemplo, carregadores de bateria, módulos Wi-Fi, módulos Arduino e assim por diante. O circuito acima atende às necessidades de entrada de todos os mencionados acima e muitos mais.

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