Projetinho rápido de um conversor DC-DC para leds

Aproveitando que saiu um conversorzinho bem fácil de fazer no hackaday, onde o cara usou só um transistor num sistema auto-oscilante, fiz algo parecido aqui, só que com tudo comprável, isto é, sem essa de montar indutor, ficou um circuito bem maior, mas funciona legal para leds de 1W.

A idéia era fazer o conversor funcionar com pilhas de NiMH, 1,2V, daí veio a especificação:
Vi=1,3~1,5V
Vo=3,2V Io=200mA para Vi=1,3V , o sistema não tem regulação, então para Vi>1,3 a corrente também é maior.

A fórmula mais importante é a básica, corrente no indutor: VL=L.diL/dt ,para o ciclo de T1 ligado, teremos VL=Vbat-VCEsat, constante, logo integrando fica:

Ton=L.ip/(Vi-VCEsat), vamos adotar ip=1A e colocar no Spice 3F5 pra ver se é um bom valor, antes, daí surge Ton=5.22us, para o Duty cycle temos:

D=(Vo-Vi+Vd)/(Vo+Vd-VCEsat)=0,728 usando a definicao de D=Ton/(Ton+Toff), sai Toff=1,95us

Como não gosto muito de fazer contas vamos para o clássico Spice 3F5, uso aqui o ngspice, uma cópia melhorada do Spice da Berkeley.

Crie um arquivo .cir como o seguinte:

* Exemplo de circuito com spice 3f4 (conversor boost)
*
* http://zorktronics.blogspot.com
*
* Arao H. Filho - 2010

* Fontes
VCC 1 0 DC 1.30

* PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
VP 4 0 PULSE(0.3 1.3 0 100n 100n 5.22u 7.17u)

L1 1 2 4.7u
R1 4 5 22
RL 3 0 20
C1 3 0 100u

* D: A-C
D1 2 3 DMOD

* NPN: C B E
Q1 2 5 0 QNPN

* MODELOS

.MODEL DMOD D(RS=0.2)
.MODEL QNPN NPN(BF=100)

* Graficos
*.PRINT TRAN V(4) V(3) I(1)

.TRAN 50ns 5000us

.END

Dúvidas no circuito que eu montei? veja o manual do Spice em:

http://newton.ex.ac.uk/teaching/cdhw/Electronics2/userguide/index.html#toc

Quanto à modelagem, o RL de 20r é a carga, um valor bem próximo do real, só que menor..

O último parâmetro da fonte é o período, lembre que T=Ton+Toff

Use o comando plot e terá os gráficos a seguir:

1-Tensão de saída:

O valor da tensão final, dado pelo comando print fica nos 3,6V, um pouco maior ao obtido, já que a carga é diferente..

O próximo gráfico mostra o detalhe da tensão no nó 2, coletor do transistor + indutor + diodo

A tensão no capacitor está crescendo, plotando o gráfico de V(2) de 0 a 100us dá pra ver isso direitinho..

Todos os Spice em texto são ótimos para se fazer uma análise a nível de números dos resultados, o que até pode ser feito nos gráficos, mas acho que montar um circuitinho em Spice é mais rápido que ficar desenhando e procurando onde o desenvolvedor enfiou tal parâmetro, que no caso do modo texto é só colocar o comando ou mudar o modelo diretamente, sem ficar perdendo tempo com janelinhas idiotas..

Enfim, pra circuitos simples como esse é muito melhor usar um spice original em linha de comando DOS ou Linux.

Agora você pode se perguntar: De onde veio esse indutor de 4,7uH? Esse não calculei, era o único que tinha por aqui, então o usei..é claro que você pode e deve trocar esse indutor por um maior, daí a sua frequência de operação abaixa e com isso o seu rendimento aumenta, já que as perdas por chaveamento vão diminuir..

O grande problema desse projetinho é a tensão de operação, com 1,3V, como calculei aqui vai dar um rendimento ridícuulo, 63,5%, mas porque?

1-Com 0,5A (supondo que a corrente se divide igual, o que não acontece) num único BC337, o VCEsat fica perto dos 0,3V, o que dá 220mW jogados fora em calor, se a queda de tensão fosse 0, o rendimento subiria pra 76%.

2-Os resistores de base e o resistor de 22r, só esses consomem 76mW..infelizmente não dá pra melhorar isso porque o ganho do BC337 que chaveia o indutor cai muito com aumento de temperatura e principalmente a corrente.

3-O próprio circuito do astável, que também tem resistores que consomem uma boa energia, os maiores são calculados, não há o que mexer, já os outros de coletor precisam ter valor baixo para que na transição de estado, isso se faça de forma rápida, caso contrário não oscila nessa frequência...

4-O diodo também leva alguma culpa nisso, como eu não tinha outro diodo rápido como esse e ao mesmo tempo com Vf menor, foi esse mesmo :(

Enfim..como dá pra ver se a tensão de alimentação fosse 2V maior, esse rendimento melhoraria muito..

Essa é a tensão que sai do astável:

Isso mostra que minhas contas do astável estão certas, pelo menos é o que parece no osciloscópio, os componentes dele foram arredondados pros valores que eu tinha aqui, logo não ficou exatamente o valor que eu precisava, mas chegou perto!

A próxima figura mostra a montagem ligada em protoboard.



Esse LED é um de 1W com dissipador, as contas do rendimento, entrada e saída deram:

Vi=1,26V Ii=732mA P=922mW
Vo=3,11V Io=186mA Po=559mW n%=63,5% , bom, considerando os componentes utilizados..tudo encontrável em qualquer lujinha!

Para melhorar e chegar nos 80%, que considero um limite operando nessa tensao e usando componentes discretos comece reduzindo a frequencia e achando um transistor melhor e simulando bastante pra ver onde dá pra melhorar isso (darlington nem um mosfet desses achados no .br não valem pq? Gm).

O circuitinho vai logo abaixo no meu desenho, e está lindo!

É isso! Comente!

3 comentários:

Voyage disse...

Ô loco, "belo" post (pela teoria toda mostrada), e ganha mais pontos pelo esquema feito a mão (gostei do indutor disfarçado de resistor). E o Rigol não tem porta USB pra salvar as telas?

Arao H. F. disse...

Uau que comentário rápido! O indutor disfarçado foi a mão aqui que não conseguiu se mexer direito por causa do frio!
Tem duas usb uma atrás que faz até pictbridge e uma na frente que grava as formas de onda num formato esquisito, só por um pendrive.

ledqueimado disse...

Muito bom o post. Eu estava escrevendo um artigo parecido.
Abraço

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