Conversor Boost pro osciloscópio JYETECH

    Pra quem não sabe, eu tenho um osciloscópio da JYETECH:

http://www.jyetech.com/en/default.php

   É um kit, mas comprei montado, lá tem além do display, um AVR e um conversor AD, funciona muito bem até 1MS.

   Daí surgiu a idéia de se colocar uma bateria nele, já que tem um espacinho livre, e eu então comecei a projetar um conversor DC-DC, a especificação inicial era de que operasse com uma célula de lítio (~3,6V) e que eu pudesse testar tudo aqui sem comprar nenhum componente.

   A tensão de entrada é baixa, daí não era possível usar meus conhecidos UC3524, MC34063, UC3525, então pensei em fazer algo bem parecido com aquele exemplo do led..daí comecei a fazer as contas...

  Como a conversão é novamente em malha aberta, as contas seguem um caminho um pouco diferente do que é feito com esses ci's acima, começando pelo ton:

  A potência transmitida à carga pelo indutor durante o toff é:

    Pciclo=Io.(Vo-Vbat+Vd)            Io=0,15A        Vo=9V
    Pciclo=0,90W 

Para um ciclo, adotando a frequencia como 100kHz, a energia que o indutor deverá armazenar é:  Eciclo=8.1uJ

 Como a energia no indutor pode ser expressa por E=0,5*L*Ip² , sai a corrente de pico, Ip=2,71A

 Aproximando a fonte de tensão (bateria) como tendo impedância nula, a tensão no indutor será constante de tal forma que:

 Vl=L.dIl/dt  , Vl=Vbat-Vdson  ,com Vdson=0,2V

 Como Vl é constante, Il=1545454,5*t

 Como em t=ton, Il=Ip, substituindo sai ton=1,75us, como ton+toff=10us , toff=8.24us

 Além disso, como da modelagem do Mosfet, temos componentes capacitivos, haverá uma frequencia de ressonância entre L e C, C será do Mosfet e também do diodo, fazendo as contas, e depois de escolhido o mosfet, Xl=Xc a frequência é de 2,98MHz.

 Para o snubber, foi selecionado Rs de tal forma que Xl @ fr = Rs, ou seja, máxima transferência de potência, Rs=47r e Cr=3.9nF.

 Ainda na escolha do transistor, como eu só tinha 4 tipos de mosfet N, o que tinha melhores parâmetros de gate pra essa corrente que eu trabalhava era o IRFZ48n, já que, da forma com que fiz o acionamento, há um grande desperdício de energia sob efeito Joule (veja o esquema).

 Vamos para a simulação agora, já começando com os resultados, o circuito foi aproveitado do conversor de LED.

Adicionar legenda

Temos a tensão de saída e a tensão no indutor, o modelo em AC não está muito real, já que não coloquei as capacitâncias referentes ao Mosfet, o que causa um aumento na frequencia de ressonância.

No gráfico, na tensão do indutor fica claro que o snubber atuou.

E a tensão de saída está próxima da calculada (9V).





    Depois dessa, fui pra montagem, foi feito um astável, só que dessa vez com transistores PNP (que tenho muitos), a fórmula para os períodos é t=ln(2).RC.

     O ton eu deixei fixo, apenas coloquei ajuste no toff, porque um ton menor que o feito lá, já não faz o circuito oscilar, como em toff dá pra ter um ajuste melhor, optei por colocar o trimpot lá.

Como a escolha do transistor não foi das melhores, já que era a melhor opção, o rendimento não foi dos melhores, além disso, o circuito em um Iq alto.

Fazendo algumas alterações de forma a melhorar, consegui um rendimento de 72%, o que é baixo para esse tipo de conversor, mas como tive que deixar os circuitos integrados de lado e partir pra uma solução feita a partir de componentes discretos e de uma forma simples, considero bom o resultado :)

 
   A forma de onda ao lado vem da tensão no indutor, assim como na simulação, fica claro que pelo formato amortecido das oscilações, o snubber está funcionando como deveria, apesar de que nessas fotos eu troquei o capacitor do snubber por outro..

 

   Essa é a tensão no gate, de acordo com as contas de Id, está de acordo com a minha seleção, 1,6us está bem próximo dos 1,75us calculados, e essa foto foi tirada depois de eu alterar o toff, afim de melhorar o rendimento e também alterar a tensão na saída.

   Como eu disse atrás, não é nem em sonho o melhor mosfet pra essa aplicação, a começar pela capacitância de entrada alta, que implica em mais corrente sendo usada pelo driver e também mis perdas tanto para ton quanto para toff..

A foto ao lado mostra o osciloscópio operando a 7,8V, eu também retirei o diodo em série com o circuito, já que a queda de tensão nele faz com que precise-se de uma tensão ainda maior para fazer o sistema funcionar.





   Agora o esquema, o transistor que eu usei não é encontrado facilmente por aí, um BC327-40 deverá substituí-lo sem problemas.

    Clique na imagem para ver em tamanho maior. o circuito foi simulado em ngspice, mas poderá ser simulado no spice3F4 ou até no 2G5 sem problemas de compatibilidade, abaixo mostro o circuito:

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*  Exemplo de circuito com spice 3f4 (conversor boost)
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*   tran STEP T
*   plot v(n) xlimit T0 TF  
*
*
*   Arao H. Filho - 2010
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* Fontes
VCC 1 0 DC 3.8 * Mosfet nao modelado -> Tensao superior a nominal, para que VCEsat~Id*Rdson

* PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
VP 5 0 PULSE(0 5 0 10n 10n 1.75u 10u)

RB 4 5 30

RL 3 0 61      * -> 9V @ 150mA
CL 3 0 100u
LB 6 2 2.2u
RA 1 6 0.1

* Snubber      * Mosfet nao modelado, causa aumento na frequencia de ressonancia
RS 6 7 47      * -> frequencia de ressonancia
CS 2 7 3.9n

* D: A-C
D1 2 3 DMOD

* NPN: C B E
Q1 2 4 0 QNPN

* MODELOS

.MODEL DMOD D(RS=0.1)
.MODEL QNPN NPN BF=100 level=1

* Graficos

* Analises
.TRAN 100ns 8ms


.END
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   Por enquanto é só, logo farei um novo post com o circuito já montado numa plaquinha!

   Comentem, não custa nada!