Análise de Conversores Buck Comerciais
Recentemente eu adquiri duas unidades de um conversor buck que segundo o anúncio promete até 300W de potência útil em sua saída. Este modelo em particular possui um ajuste de tensão e também um ajuste de corrente limite, trabalhando em modo de corrente constante, recurso que me chamou atenção e foi o motivo da escolha do produto.
Conversores CC-CC
Buck, ou também conversores CC-CC Step Down, são circuitos
abaixadores de tensão, em corrente contínua, por isso CC-CC, que
funcionam com um transistor, que pode ser bipolar de junção ou de
efeito de campo, sendo chaveado e a tensão resultante é
estabilizada por um filtro composto por um indutor e um capacitor. É
um circuito que o seu princípio é utilizado como base de
funcionamento de fontes chaveadas, pois nelas a corrente elétrica
alternada é retificada e filtrada convertida para CC. Em seguida é
chaveada geralmente por um mosfet que
oscila um transformador de alta frequência, conhecido como chopper,
e que
em seu secundário se obtém uma tensão com menor valor que
é novamente filtrada.
A
maior diferença entre um circuito de fonte linear e um circuito de
fonte chaveada é sem dúvida a eficiência de cada um. Em um
circuito chaveado as perdas de energia são muito pequenas e
geralmente sua eficiência oscila entre 80% a 95%. Muito diferente de
um circuito linear onde a eficiência não chega nem a metade do
valor de um circuito chaveado.
Um
circuito conversor buck de valor fixo é fácil de construir. Sua
montagem necessita de um transistor, geralmente um mosfet canal n, um
indutor, um diodo rápido do tipo schottky, um indutor, um capacitor
e um circuito oscilador, que pode ser um microcontrolador, um 555 ou
pode-se montar um circuito com Ampop.
Figura 1: Esquemático de um exemplo de conversor Buck desenhado no software gratuito Kicad. Fonte: do autor.
Para
conversores com valor
de tensão variável,
há circuitos prontos facilmente encontrados em lojas de eletrônica
com preço acessíveis e que são até eficientes.
Os mais comuns são
conversores montado com C.I. LM2596S de menor potência, e de maiores
potência montados com XL4016E1.
Figura 2: Conversores buck. A esquerda: modelo de 300W montado com C.I. XL4016E1. A direita : modelo de 15W montado com C.I. LM2596S ADJ. Fonte: do autor.
Uma
das minhas fontes de bancada, mencionada na página EquipamentosPróprios do blog, montei com o conversor CC de baixa potência com
LM2596. Ele é um circuito entregue em uma pequena placa que garante
entregar até 3A de corrente em sua saída. A faixa de tensão de
entrada vai de 4V a 40V, e a faixa de tensão de saída é de 1,25V a
37V. Devido as suas pequenas dimensões é fácil empregá-los em
vários projetos. Possui
proteção somente contra super aquecimento. Para quem tem o
componente LM2596 e que montar a placa de conversor saída ajustável,
na folha de dados do componente do fabricante Onsemi, traz o
esquemático do circuito na figura 30, “1.2 to 35V Adjustable 3.0A
Power Supply with Low Output Ripple”.
Figura 3: Conversor Buck comercial com C.I. LM2596S ADJ. Fonte do autor.
Esse
circuito com LM2596 só possui ajuste de tensão mas nada impede de
montar um circuito de proteção contra sobre corrente em sua saída.
Eu já apresentei alguns circuitos aqui no blog e no canal do
Youtube. O ideal também é tentar montar um dissipador em cima do
componente da placa utilizando aquelas fitas dupla face térmica para
melhorar a transferência de calor. Mesmo o componente descriminando
que consegue suportar uma corrente de até 3A, o ideal é não
trabalhar sempre no limite que ele suporta, pois isso diminuirá sua
vida útil.
Cada um dos circuitos buck comerciais foram testados em bancada e no canal do Youtube Luiz Cherem - Eletricidade Elétrica traz os vídeos destes testes. O circuito com LM2596S ADJ foi o primeiro a ser testado. Na época em que adquiri ele, seu preço foi de R$13,00. Na folha de dados do componentes é mencionado que o mesmo suporta até 15W de potência na saída. Por segurança eu não cheguei perto destes valores e também, como será mostrado no vídeo, não drenei dele os 3A pois o mesmo 2A já estava apresentando super aquecimento no circuito integrado e no indutor.
Figura 4: Equipamentos utilizados no teste dos conversores buck. Fonte: do autor.
Para o teste eu usei a fonte de bancada limitando sua corrente em 2.5A. A carga eletrônica de bancada para drenar a corrente. O osciloscópio DSO138 para medir a tensão de saída e também verificar possíveis ruídos provocado pelo chaveamento. E utilizei o multímetro ET-2042A da Minipa para fazer a leitura da corrente de saída do circuito. O teste que realizei foi para verificar a eficiência do circuito. Arbitrei uma faixa de valores de tensão e corrente, ao meu ver, seria os valores mais utilizados de trabalho deste conversor com LM2596S ADJ. As tensões de entrada e saída escolhidas foram de 9V para 5V e 12V para 5V, drenando 500mA, 1A, 1.5A e 2A. E também de 15V para 12V drenando 500mA e 1A. Através destes valores arbitrados, coletei pelo amperímetro da fonte de bancada a corrente de entrada do circuito. Foi calculado a potência de entrada e saída, e com isso a eficiência foi obtida pela fórmula: e = (potência saída / potência entrada) x 100.
Figura 5: Tabela de eficiência do conversor LM2596S ADJ. Fonte: do autor.
Para carga que consumem uma corrente igual ou maior que 3A, uma solução
é o conversor buck com o C.I. XL4016E1 do fabricante XLSemi. O
fabricante indica na folha de dados do componente que o mesmo
consegue trabalhar com 8A constantes em sua saída. Sua faixa de
tensão de entrada varia de 8V a 40V, e sua saída varia de 1,25V a
36V. A placa que adquiri com este C.I. possui uma excelente montagem.
Tanto o XL4016E1 quanto o
diodo schottky do circuito, que é um STPS2045CT, são montados em
grandes dissipadores de calor. Eu testei esta placa com minha carga
de bancada que drena até 4A e os estavam praticamente em temperatura
ambiente. A placa também opera em modo de corrente constante,
que funcionando quando a carga consome mais corrente que foi
selecionado, a tensão da saída abaixa para não danificar o
circuito. Testei esta proteção e ela atua muito rápido, derrubando
muito a tensão para proteção.
Figura 6: Conversor Buck comercial com C.I. XL4016E1. Fonte do autor.
Para os testes, devido a limitação das minhas ferramentas de bancada, eu não consegui testar todo o potência deste conversor. Até agora não houve equipamento em minha bancada que necessitasse de uma fonte de alta capacidade e nem de uma carga que drenasse tanta corrente. Mas com os valores que extraí para o cálculo de eficiência, já dar para ter uma ideia de quão bem projetada é essa placa de conversor buck com XL4016E1. Drenei corrente de até 3A e os dissipadores dela não apresentaram aquecimento acima do normal, mostrando que tanto o CI quando o diodo estava trabalham frio. Diferente do LM2596S ADJ que com uma pequena corrente sendo drenada, o mesmo estava com aquecimento alto.
Figura 7: Equipamentos utilizados no teste dos conversores buck. Fonte: do autor.
Figura 8: Tabela de eficiência do conversor XL4016E1. Fonte: do autor.
Sobre este conversor eu percebi que o mesmo limita a corrente em 2A na saída quando a tensão regulada nela é de 5V, por isso na tabela apresentada na figura 8, mostra resultados com tensão de saída de 5,03V de apenas 2A. O mesmo aconteceu com 9,06V onde a corrente máxima que ele liberou foi por volta de 3,2A. Compare os valores da tabela da figura 8 com a tabela da figura 5, repare nos valores similares em ambos os testes para os circuitos e seja como o conversor com XL4016E1 é uma boa escolha, mesmo com seu valor mais alto, mas é o preço que maior eficiência cobra. Imagine ambos os circuitos montados depois de uma bateria de 12V. Reduzindo a tensão de 12V para 5V o conversor com XL4016E1 fará com que a carga na bateria dure mais exigindo mesmo recarga.
Esta
placa com o XL4016E1 pode ser utilizada tranquilamente como fonte de bancada devido
a sua potência e seus ajustes de tensão e corrente. Para este tipo
de montagem eu recomendo a instalação de uma pequena ventoinha de 40mm
x 40mm para manter o circuito idealmente refrigerado. Recomendo
também a substituição dos trimpots multivoltas por potenciômetros,
pois o ajuste fica mais rápido embora prejudicará um pouco na precisão.
Para tensão de entrada pode ser construída uma fonte fixa de tensão
com transformador, ponte retificadora, capacitor, e um regulador de
tensão zener assistido por um TBJ. Ou simplesmente usar uma fonte
chaveada de notebook como eu sempre uso de exemplo, ou outro modelo
como aquelas do tipo colméia. A escolha da fonte vai de acordo com as
especificações da placa e também da carga máxima que irá ser
conectada com um margem de segurança. Se a carga máxima utilizada,
exemplificando, for de 7A escolha uma fonte fica entre 8A a 10A,
novamente para não trabalhar no limite máximo e aumentando a vida
útil do componente.
Bom pessoal, eu agradeço a atenção de vocês aqui. Lembro que no canal do Youtube Eletricidade Elétrica traz os vídeos com apresentação e testes deste circuito. Lembrem-se também para seguirem o blog e o Instagram do Eletricidade Elétrica, no @eletricidadeeletrica. Se inscrevam no canal do Youtube, deixem seus likes no vídeos e compartilhem as postagens apresentadas.
Dúvidas, críticas e sugestões peço que deixem nos campos de comentários das postagens e dos vídeos. Nos marquem também no Instagram para eu ver o que vocês estão projetando. Se quiserem mandem e-mail pra mim no endereço eletricidadeeletrica@gmail.com.
Vejo vocês na próxima postagem.
Luiz Cherem - Técnico de Informática e Eletrônica - Criador do Blog Eletricidade Elétrica, do canal no Youtube Luiz Cherem - Eletricidade Elétrica e do Instagram @eletricidadeeletrica.
Referências
ON Semiconductor; 3.0 A, STEP-DOWN SWITCHING REGULATOR; Disponível em: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/lm2596-d.pdf. Acesso: em 24 jan. 2022.
Xangai Xinlong Semiconductor Technology CO., LTD.; 12A 180KHz 40V BUCK DC TO DC CONVERTER; Disponível em: http://www.xlsemi.com/datasheet/XL4016%20datasheet-English.pdf. Acesso em: 24 jan. 2022.
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