Tutorial Conversor Buck DIY: Construa uma Fonte de Chaveamento Eficiente

Se você usa fonte de alimentação linear de corrente de saída tradicional com frequência, então concordará que não é tão eficiente. Neste caso, um conversor buck é uma melhor opção de potência de saída, pois reduz a tensão de entrada efetivamente. Mas, há mais em um conversor buck DIY?

Sim, há mais no dispositivo. Primeiro, ele tem pelo menos dois semicondutores. E os semicondutores agem como um diodo e resistor. Mas você pode substituir o diodo por um segundo transistor — o que é útil para retificação síncrona.

Segundo, o conversor buck é altamente proficiente em realizar tarefas como alterar a tensão de saída da fonte de alimentação de um computador para tensões mais baixas que dispositivos como CPU, USB e DRAM precisam.

Dito isso, você aprenderá mais sobre o conversor buck neste artigo. Em essência, destacaremos o que é, como funciona e como você pode fazer um.

Vamos lá!

O que é um Conversor Buck?

Anteriormente, falamos brevemente sobre o conversor buck. Mas falaremos extensivamente sobre o tópico aqui. Dito isso, um conversor buck é mais como um conversor de potência DC-para-DC ou step-down. Além disso, sua função principal é reduzir a tensão da fonte (entrada) para a carga (saída).

Como o dispositivo tem pelo menos dois semicondutores, como mencionamos, ele pertence a uma classe de SMPS (fonte de alimentação de modo chaveado).

Fonte de alimentação de modo chaveado

Também, além dos dois semicondutores que o dispositivo tem, ele vem com pelo menos um elemento de armazenamento de energia.

O elemento de armazenamento de energia em questão é geralmente um indutor, capacitor ou combinação. Então, se você planeja reduzir ondulações de tensão de transistores de potência, é crucial garantir que o conversor buck tenha filtros feitos de capacitores de média simples (ou em combinação com indutores às vezes) adicionados ao filtro do lado da fonte e lado da carga.

Assim, não é surpresa que conversores buck façam um excelente trabalho fornecendo eficiência de energia como conversores DC-para-DC comparados a fontes de alimentação lineares. Além disso, vale mencionar que este dispositivo é mais de 90% altamente eficiente — o que aumenta sua eficácia para tarefas como alterar um carregador solar ou a tensão de alimentação em massa de um computador.

Como Funciona um Conversor Buck?

Quando se trata de conversores buck, é crucial notar que a operação do circuito do dispositivo está sujeita ao estado de condução do MOSFET. Em outras palavras, o conversor buck funciona baseado em seu estado (desligado ou ligado).

Então, a corrente no circuito é zero — se o dispositivo está em estado desligado ou a chave está aberta. Mas, se a chave está fechada ou em estado ligado, a corrente aumentará. Também, o indutor criará uma tensão oposta em seus terminais — em reação à mudança de corrente.

Como resultado, a faixa de tensão de entrada cairá, o que se oporá à tensão da fonte e diminuirá a tensão líquida através da carga.

Com o tempo, a tensão através do indutor e a taxa de mudança de corrente reduzirão. Portanto, a tensão na carga aumentará. Enquanto isso acontece, o indutor armazenará energia. Então, se a chave abrir enquanto a corrente ainda está mudando, o indutor experimentará uma queda de tensão. Também, a fonte de tensão do filtro de entrada será mais que a tensão na carga.

Se a chave entrar no estado desligado novamente, a fonte de tensão deixará o circuito

O que causa uma diminuição de corrente. Quando isso acontece, haverá tensão reduzida através do indutor como resultado da corrente decrescente. Então, o indutor se tornará uma fonte de corrente.

Dito isso, o circuito do conversor buck opera em dois modos diferentes: contínuo e descontínuo. O modo contínuo acontece quando o valor da corrente passando pelo indutor nunca cai para zero durante todo o ciclo de comutação.

Como resultado, quando a chave fecha, a tensão do chip buck através do indutor é V_L = V_i – V_o. E enquanto a queda de tensão é quase constante, a corrente através do indutor subirá linearmente.

Também, quando a chave abre, o diodo será polarizado diretamente. Então, a corrente diminuirá e a tensão através do indutor será V_L = -V_o. então, a energia que o indutor L armazena é:

E = ½ LI²_L

Além disso, a energia no indutor diminui durante o estado desligado e aumenta no estado ligado. Além disso, o indutor L é útil para conduzir energia da entrada para a saída do conversor. O modo descontínuo, por outro lado, acontece quando a carga requer energia muito pequena.

Assim, a corrente passando pelo indutor cairá para zero. Quando isso acontece, o capacitor de saída descarregará em cada ciclo — o que causa perdas de comutação mais altas.

Como Fazer um Conversor Buck Simples?

Antes de fazer um conversor buck simples, é crucial fazer referência a um diagrama de circuito. Então, você pode usar o daqui.

Lista de Coisas Necessárias

Diodo Schottky

Seção Diodo Schottky

Potenciômetro

Potenciômetro

Bateria de entrada 12V

12v Bateria de chumbo

Painel único

Resistor (10k,100ohm)

Resistor 10K

Arduino UNO

Placa Arduino UDO

IRF540N

Motor (carga)

Capacitor (100uf)

Capacitores 100uf

Indutor (100Uh)

        Pequenos indutores 100uh

Você pode fazer o conversor buck nos seguintes passos:

1. Comece ligando os terminais finais do potenciômetro ao pino de rail de energia 5v. Também, você deve conectar seu pino de terra do Arduino UNO respectivamente enquanto seu terminal do cursor vai para o pino analógico de eletrônica analógica A1.
2. Una o pino PWM 6 do Arduino ao gate do MOSFET.
3. Conecte o terminal positivo da bateria ao dreno do MOSFET. E repita a mesma coisa para o negativo ao terminal-p do diodo Schottky.
4. Conecte o motor do terminal-p do diodo schottky em série com o indutor ao terminal de fonte do MOSFET.
5. Una o terminal-n do diodo schottky ao terminal de fonte do MOSFET.
6. Através do motor, conecte o capacitor de 47uf.
7. Finalmente, você pode ligar o pino de terra do Arduino ao terminal de fonte do MOSFET.

O objetivo de usar o MOSFET é alterar a tensão de entrada em alta frequência. Também, oferece menos dissipação de calor com alta corrente. Além disso, o indutor desempenha o papel de proteger o MOSFET de picos de alta tensão (que é típico deste projeto eletrônico).

O Arduino é útil para a alta velocidade de comutação do MOSFET. E a função do diodo Schottky é ajudar a completar o loop para o fluxo de corrente. Então, se não houver diodo Schottky quando você desligar o MOSFET, o indutor liberará sua energia para o motor. Então, terá pouco ou nenhum efeito na carga por causa do loop incompleto.

O potenciômetro é outro componente vital que oferece valor analógico ao Arduino baseado na tensão PWM que o terminal gate do MOSFET recebe do pino PWM 6 do Arduino. Com este valor, há controle da tensão de saída através da carga.

Aplicações do Conversor Buck

O conversor buck é bastante útil para algumas aplicações comuns como:

Carregadores de Bateria

Carregador solar de bateria

É típico para a maioria das pessoas querer que seu pacote de bateria portátil ou smartphone carregue rapidamente sem aquecer os dispositivos. Então, o conversor buck é a resposta e geralmente está dentro do dispositivo móvel — já que a porta de carregamento é uma porta micro USB.

Amplificadores de Áudio de Potência

Controle de potência e amplificadores de áudio

O estágio de potência de um amplificador de áudio de potência é um conversor buck. E um bom exemplo deste dispositivo que usa o conversor buck são os amplificadores classe D.

Quadricópteros

Quadricóptero Dji Phantom

Pacotes de bateria de lítio multi-célula alimentam Quadricópteros. E a configuração do pacote é geralmente duas a seis células em série. Além disso, os pacotes de bateria produzem uma faixa de tensão de cerca de 6V -25V. Então, um conversor buck ajuda a reduzir a tensão da bateria para cerca de 5V ou 3.3V para o controlador de voo do dispositivo usar.

Você pode encontrar o conversor buck no layout de PCB de distribuição de potência que direciona a potência da bateria ou os controladores de velocidade eletrônicos.

Conclusão

O conversor buck DIY é o projeto ideal para embarcar se você está procurando um conversor DC-DC que muda eficientemente uma alta tensão para uma baixa tensão. Além disso, o dispositivo é útil para eletrônicos de consumo que requerem estabilização da tensão de queda da bateria sob carga.

O que você acha sobre conversores buck? Planeja tentar o projeto? Ou tem perguntas? Por favor, sinta-se à vontade para nos contatar.