En esta publicación tratamos de comprender el método de dimensionamiento o cálculo de inductores en circuitos convertidores buck boost con el fin de garantizar un rendimiento óptimo de estos dispositivos.
Tomamos el ejemplo de las tipologías de convertidor elevador IC 555 y convertidor reductor IC 555, y tratamos de comprender las técnicas de optimización a través de ecuaciones y ajustes manuales, para lograr la respuesta de salida más óptima de estos diseños de convertidor.
En algunas de mis publicaciones anteriores, estudiamos exhaustivamente cómo funcionan los convertidores reductores y elevadores SMPS, y también dedujimos algunas fórmulas fundamentales para evaluar los parámetros importantes como voltaje, corriente e inductancia en estos circuitos convertidores.
Es posible que desee resumir los detalles de los siguientes artículos, antes de embarcarse en el presente artículo que trata de los métodos de diseño de inductores.
Cómo funcionan los convertidores de impulso
Cómo funcionan los convertidores de Buck
Ecuaciones básicas de Buck Boost
Para calcular inductores en circuitos SMPS de refuerzo reductor, podríamos derivar las siguientes dos fórmulas finales para un convertidor reductor y para un convertidor elevador respectivamente:
Vo = DVin ---------- Para convertidor Buck
Vo = Vin / (1 - D) ---------- Para Boost Converter
Aquí D = ciclo de trabajo, que es = tiempo de ENCENDIDO del transistor / tiempo de ENCENDIDO + APAGADO de cada ciclo PWM
Vo = Voltaje de salida del convertidor
Vin = Voltaje de suministro de entrada al convertidor
De las fórmulas derivadas anteriores, podemos entender que los 3 parámetros básicos que pueden usarse para dimensionar la salida en un circuito basado en SMPS son:
Parámetros principales asociados con Buck Boost Converter
1) El ciclo de trabajo
2) El tiempo de encendido / apagado del transistor
3) Y el nivel de voltaje de entrada.
Esto implica que ajustando apropiadamente cualquiera de los parámetros anteriores es posible adaptar el voltaje de salida del convertidor. Este ajuste podría implementarse manual o automáticamente a través de un circuito PWM autoajustable.
Aunque las fórmulas anteriores explican claramente cómo optimizar el voltaje de salida de un convertidor reductor o elevador, todavía no sabemos cómo se puede construir el inductor para obtener una respuesta óptima en estos circuitos.
Puede encontrar muchas fórmulas elaboradas e investigadas para resolver este problema, sin embargo, ningún aficionado nuevo o entusiasta de la electrónica estaría interesado en luchar con estas fórmulas complejas para los valores requeridos, que en realidad podrían tener más posibilidades de proporcionar resultados erróneos debido a sus complejidades. .
La idea mejor y más eficaz es 'calcular' el valor del inductor con una configuración experimental y mediante un proceso práctico de prueba y error, como se explica en los siguientes párrafos.
Configurar un convertidor Boost con IC 555
A continuación, se muestran diseños simples de convertidor elevador y reductor basado en IC 555 que podrían usarse para determinar el mejor valor de inductor posible para un circuito convertidor elevador SMPS en particular.
El inductor L puede fabricarse inicialmente de forma arbitraria.
los La regla general es usar el número de vueltas un poco más alto que el voltaje de suministro. , por lo tanto, si la tensión de alimentación es de 12V, el número de vueltas podría rondar las 15 vueltas.
- Debe enrollarse sobre un núcleo de ferrita adecuado, que podría ser un anillo de ferrita o una varilla de ferrita, o sobre un conjunto de núcleo EE.
- El grosor del cable está determinado por el requisito de amperaje que inicialmente no será un parámetro relevante, por lo tanto, cualquier cable esmaltado de cobre relativamente delgado funcionaría, puede rondar los 25 SWG.
- Más adelante, según las especificaciones actuales del diseño previsto, se podría agregar más cantidad de cables en paralelo al inductor mientras se enrolla para que sea compatible con la clasificación de amperios especificada.
- El diámetro del inductor dependerá de la frecuencia, una frecuencia más alta permitiría diámetros más pequeños y viceversa. Para ser más precisos, la inductancia ofrecida por el inductor aumenta a medida que aumenta la frecuencia, por lo que este parámetro deberá confirmarse a través de una prueba separada utilizando la misma configuración de IC 555.
Convertidor de refuerzo de diagrama de circuito
Optimización de los controles del potenciómetro
La configuración anterior muestra un circuito IC 555 PWM básico, que está equipado con potenciómetros separados para habilitar una frecuencia ajustable, y un salida PWM ajustable en su pin # 3.
El pin # 3 se puede ver conectado a una configuración de convertidor elevador estándar usando el transistor TIP122, el inductor L, el diodo BA159 y un capacitor C.
El transistor BC547 se introduce para limitar la corriente a través del TIP122 de modo que durante el proceso de ajuste cuando se ajustan las ollas, el TIP122 nunca puede cruzar el punto de ruptura, por lo que el BC547 protege al TIP122 de una corriente excesiva y hace que el procedimiento sea seguro y infalible para el usuario.
El voltaje de salida o el voltaje de refuerzo se monitorea a través de C para una respuesta óptima máxima durante todo el proceso de prueba.
El convertidor elevador IC 555 podría optimizarse manualmente mediante los siguientes pasos:
- Inicialmente, configure el potenciómetro PWM para producir el PWM más estrecho posible en el pin # 3, y la frecuencia se ajusta a aproximadamente 20 kHz.
- Tome un multímetro digital fijo por encima del rango de 100 V CC y conecte las puntas a través de C con la polaridad adecuada.
- A continuación, ajuste gradualmente el potenciómetro PWM y controle mientras el voltaje en C continúe aumentando. En el momento en que encuentre esta caída de voltaje, restaure el ajuste a la posición anterior que produjo el voltaje más alto posible en la olla y fije esta olla / posición preestablecida como el punto óptimo para el inductor seleccionado.
- Después de esto, ajuste el potenciómetro de frecuencia de manera similar para optimizar aún más el nivel de voltaje en C, y configúrelo para lograr el punto de frecuencia más efectivo para el inductor seleccionado.
- Para determinar el ciclo de trabajo, posiblemente se podría verificar la relación de resistencia del potenciómetro PWM, que sería directamente proporcional a la relación de espacio de marca del ciclo de trabajo de salida del pin # 3.
- El valor de frecuencia se puede aprender a través de un medidor de frecuencia o usando el rango de frecuencia en el DMM dado si tiene la función, esto se puede verificar en el pin # 3 del IC.
Los parámetros de su inductor ahora están determinados y podrían usarse para cualquier convertidor elevador para obtener la mejor respuesta óptima.
Determinación de la corriente para el inductor
La especificación actual del inductor podría aumentarse simplemente usando muchos cables paralelos mientras lo enrolla, digamos que, por ejemplo, podría usar alrededor de 5 números de cables 26SWG en paralelo para permitir que el inductor maneje 5 amperios de corriente. y así.
El siguiente diagrama muestra el proceso de optimización y cálculo de inductores en SMPS, para una aplicación de convertidor reductor.
Diagrama de circuito convertidor Buck
El mismo proceso se aplica también para esta configuración, como se hizo con el diseño del convertidor elevador explicado anteriormente.
Como se puede ver, la etapa de salida ahora se modifica con una configuración de convertidor reductor, los transistores ahora se reemplazan con tipos PNP y las posiciones del inductor y el diodo se cambian adecuadamente.
Por lo tanto, al usar los dos métodos anteriores, cualquiera puede determinar o calcular inductores en circuitos smps de impulso reductor sin usar fórmulas complejas e inviables.
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