Dwayne Reid

Se o conversor DC/DC deve ser barato e produzido em pequenos lotes, é impossível projetá-lo usando abordagens e soluções padrão. Chaves integradas fabricadas por , ou , normalmente não são projetadas para configurações de saída isoladas e requerem o uso de transformadores caros, que também são difíceis de obter em pequenas quantidades. Além disso, os circuitos IC normalmente requerem opto-isoladores e ICs de controle apropriados para fornecer feedback.

Um circuito alternativo que utiliza componentes discretos é capaz de fornecer até 50 mA a 5 V para a carga. A tensão de entrada do circuito é de 8 a 32 V. Para eliminar a necessidade de componentes de realimentação, o estágio de saída é feito em um circuito de fonte DC. Você pode usar um regulador paralelo como o TL431, ou até mesmo um simples diodo zener.

Como a tensão de saída é menor que a tensão mínima de entrada, um transformador simples 1:1 pode ser usado como transformador de isolamento. Qualquer transformador de pulso de uso geral serve. Esses transformadores, a um preço de cerca de US$ 0,25, têm uma pequena capacitância entre os enrolamentos e um excelente isolamento entre os enrolamentos.

Um conversor DC/DC requer um gerador de tensão dente de serra e um comparador para acionar um estágio poderoso. O feedback sobre a corrente de carga é obtido de um resistor conectado em série com o enrolamento primário do transformador. O gerador de tensão dente de serra é fácil de fazer em um amplificador operacional com vários resistores e um capacitor, mas para economizar componentes do amplificador operacional, ele é substituído pela segunda metade do comparador duplo LM393. O circuito funciona bem com uma tensão de dente de serra simétrica, portanto, os diodos de proteção não são necessários. Para reduzir a chance de saturação do transformador T1, o ciclo de trabalho máximo do gerador dente de serra é ajustado para aproximadamente 50%.

Para minimizar as perdas de controle devido ao consumo de corrente do transformador de realimentação de corrente, o gerador de tensão dente de serra deve operar a uma frequência de cerca de 400 kHz e uma amplitude de cerca de 0,5 V. Os valores exatos de frequência e amplitude dependem da tensão de referência. No circuito, a fonte de tensão de referência é feita em um LED vermelho convencional, cuja queda de tensão direta é bastante estável em condições ambientes.

A corrente de saída do comparador PWM não é suficiente para acionar o transformador diretamente. Portanto, um transistor p-n-p Q1 e um resistor R12 são conectados à sua saída de coletor aberto, formando um poderoso estágio de saída. Além disso, a cascata atua como um supressor de surto. Quando, durante um transiente, o surto de tensão excede a tensão de ruptura do comparador, o transistor liga e corta o surto.

Apesar do design totalmente pouco convencional, o circuito funciona muito bem, e o modelo Spice mostra-se compatível com os resultados obtidos na placa de prototipagem. E, o mais importante, o esquema é extremamente barato. O custo total de todos os componentes, incluindo o transformador, quando adquiridos em lotes de várias centenas de peças, não excede $ 0,60.

Conversor DC/DC isolado ou não isolado: qual escolher?

O que é preferível - desenvolver, fabricar ou comprar um dispositivo pronto, configurado e testado, com todos os certificados e garantias necessários, em relação às unidades e componentes dos equipamentos radioeletrônicos (REA)? Este tema tem sido repetidamente levantado nas páginas de diversas publicações, inclusive nos periódicos do conselho editorial “Componentes e Tecnologias”. Aplicado a DC/DC-conversores, esse dilema foi considerado pelo autor deste artigo em . Aqui, as vantagens da opção "comprar" para um grande número de aplicações finais usando fontes de alimentação chaveadas foram justificadas de forma convincente. No entanto, a questão permaneceu “ao mar”: se você comprar, então o que exatamente? Este artigo tentará preencher essa lacuna.

Pesando tudo novamente próetcontra em relação ao conversor DC / DC e, como dizem, considerando os argumentos das partes, chegamos a uma conclusão inequívoca - é mais lucrativo comprá-lo. E para comprar exatamente o que precisamos e não calcular mal, devemos, antes de tudo, nos interessar por uma certa gama de questões mais importantes, a maioria das quais é discutida em grande detalhe.

Embora não haja ninharias aqui, vamos reduzir o problema de escolher um conversor DC / DC a alguns pontos compreensíveis. Então o que devemos considerar:

1. a finalidade do produto para o qual escolhemos um conversor DC/DC, e uma lista de normas relacionadas de segurança, compatibilidade eletromagnética, juntamente com o cumprimento dos requisitos de proteção ambiental;
2. Faixa de temperatura operacional;
3. faixa necessária de tensões de entrada;
4. faixa de carga atual;
5. Tensão(s) nominal(is) de saída exigida(s) em toda a faixa de carga e precisão aceitável de sua (sua) manutenção, sem esquecer de levar em consideração a resposta às mudanças de carga (o chamado dump/surge), que, devido à peculiaridade da malha de controle de um determinado tipo de conversor, pode causar um processo transitório inaceitável para nosso produto final;
6. a área de colocação do transdutor aceitável para nossa solução final e a altura máxima do perfil, levando em consideração todos os elementos necessários para sua implementação final, ou seja, considere a solução já na forma de um dispositivo acabado;
7. nível aceitável de eficiência em toda a faixa de cargas;
8. confiabilidade da solução final do conversor DC/DC em condições reais de operação;
9. o preço marginal da solução final de conversor DC/DC e a definição do seu fornecedor.

Arroz. 1. Exemplo de topologia para um conversor DC/DC não isolado com duas tensões de saída

Embora existam conversores DC/DC no mercado hoje, como se costuma dizer, para todos os gostos, cores e orçamentos, para começar tudo se resume à questão principal: compramos um conversor DC/DC isolado ou não isolado. Para entender claramente do que estamos falando, vamos explicar brevemente: um conversor isolado significa que sua saída e entrada não possuem ligação galvânica e são separadas por uma barreira isolante com uma ou outra rigidez dielétrica. Este parâmetro indica a resistência da barreira de isolamento à tensão aplicada entre sua entrada e saída e, na maioria dos casos, determina o alcance possível do dispositivo. Nesse sentido, um conversor não isolado não oferece isolação galvânica entre sua entrada e saída, fato também decisivo para suas áreas de aplicação. Todos os itens acima são diferenças globais que determinam soluções de circuitos, características elétricas e até mesmo o projeto de conversores.

É claro que tudo isso afeta o custo desses tipos de conversores DC/DC. O desenvolvedor responsável aqui precisa usar uma regra útil. Benjamin Franklin adorava repetir - o grande político americano, cujo retrato adorna a nota de 100 dólares, diplomata, enciclopedista, escritor, jornalista, editor e inventor. Para referência: foi ele quem introduziu a designação agora geralmente aceita dos estados eletricamente carregados "+" e "-" e explicou o princípio de operação do frasco de Leyden, o progenitor de todos os capacitores modernos, estabelecendo que o papel principal nele é jogado pelo dielétrico que separa suas placas condutoras. Ele disse: Um centavo economizado é um centavo ganho (« Um centavo economizado é um centavo ganho”), o que descreve muito bem sua atitude em relação à otimização do custo do produto final.

Vamos dar uma olhada nas diferenças entre os conversores desta posição (o que nos ajudará mais tarde), pesando tudo novamente próetcontra, e nos detenhamos na solução de conversor específica que precisamos para um dispositivo final específico. Ou seja, vamos tentar fugir da tentação típica dos desenvolvedores como: "vamos colocar isso aqui, eu gosto!". Um argumento de peso familiar, certo?

Se nos voltarmos para o aspecto do preço, em geral, os conversores não isolados vencem, devido à sua natureza. No entanto, isso não se aplica a soluções empacotadas e completas com filtros de entrada e saída que atendem aos rigorosos requisitos de EMC e possuem alta estabilidade mecânica. Aqui, as diferenças de preços são amplamente niveladas. Quanto à topologia de conversores não isolados, temos disponíveis topologias boost, step-down, step-down e inverter que já se tornaram clássicas e já foram descritas muitas vezes. Com algum refinamento, usando um transformador, podemos obter soluções baseadas em conversores não isolados com várias, mais frequentemente duas, tensões de saída, sendo que uma dessas tensões será isolada, o que confere uma série de vantagens inerentes aos seus homólogos isolados. Um exemplo de tal solução, que não é frequentemente encontrado na literatura técnica e na prática, é mostrado na Fig. 1 .

Esta topologia é eficaz, mas para correntes relativamente pequenas no circuito adicional. O autor do artigo utilizou-o na prática para formar duas tensões de 3,3 V (3,5 A) e -12 V (0,250 mA) e o utilizou como parte do sistema de alimentação ATX de uma placa de computador industrial. Tudo isso é bom, mas esta não é uma solução completa que pode ser comprada em um design modular. Independentemente, como determinamos no início do artigo, fazer algo transformador não é lucrativo - é caro e demorado, e o resultado não é garantido, e precisamos contratar especialistas nesse assunto, que não temos. Deve-se notar que na forma de conversores não isolados, como regra, apenas as opções mais simples estão disponíveis, algumas das quais visam substituir efetivamente os estabilizadores lineares.

Arroz. 2. Exemplos de conversão de polaridade usando um conversor DC/DC isolado

Quanto aos conversores não isolados, eles são aceitáveis ​​e justificados para a construção de sistemas de potência distribuída PoL (Point-of-Load), ou seja, quando é necessário alimentar cargas nas imediações de sua localização, com comprimentos curtos de potência intermediária ônibus. Outra opção é formar barramentos de energia para placas de formato pequeno, onde você pode prescindir da separação de terrenos e, preferencialmente, não haver soluções híbridas, ou seja, onde não há combinação de cascatas analógicas e digitais.

E o que os conversores DC/DC isolados podem nos dar? Para um desenvolvedor comum que realmente não entende a essência de uma “coisinha” como um conversor DC / DC (que pode voltar a assombrá-lo já na fase final do projeto), especialmente em um design modular, este é uma tal “caixa preta” com conclusões que apenas executa a função desejada, como o mesmo capacitor ou transistor. Sua principal função é criar uma barreira isolante apropriada e tensão de saída da potência necessária. No entanto, nem tudo é tão simples e óbvio. Com efeito, se a questão recair apenas sobre uma barreira isolante, como, por exemplo, é demonstrado no exemplo da utilização de produtos da conhecida empresa TRACO Electronic em equipamentos médicos em, ou no caso em que, devido a uma distância considerável da fonte de energia principal, é necessária a separação de terras, então não há escolha e tudo está claro. Uma questão mais complexa diz respeito, por exemplo, a equipamentos de telecomunicações e sistemas de energia distribuída com barramentos intermediários longos, bem como equipamentos com cascatas escalonadas.

O que os conversores CC/CC isolados podem nos oferecer? Como disse Sergey Kapitsa no fascinante programa de nossa juventude “Obvio-incrível”, “A questão, claro, é interessante”. Para a sua divulgação, voltemos aos exemplos práticos apresentados em. O fato é que conversores isolados podem, em alguns casos, substituir com sucesso os não isolados, dando-nos uma série de vantagens, muitas vezes muito significativas, que simplificarão o design do produto final.

Porque um conversor CC/CC isolado tem uma saída flutuante, pois não está ligado ao terra ou, como costumamos dizer, ao terra. Da mesma forma, podemos supor que existe uma entrada flutuante. Portanto, qualquer conversor CC/CC isolado pode ser usado para inverter a polaridade da tensão do barramento de alimentação. Se o isolamento galvânico por isolamento não for necessário, mas houver um ponto de conexão comum, qualquer saída pode ser vinculada a qualquer entrada, bem como a qualquer tensão de referência desejada. Na fig. A Figura 2 mostra duas configurações possíveis para conectar um conversor CC/CC isolado para produzir uma tensão de saída negativa a partir de uma tensão de entrada positiva e vice-versa. E se você pode obter -15 V de +5 V com um conversor DC / DC não isolado, obter +5 V de -48 V não é mais tão simples.

Arroz. 3. Dobrador de tensão simples

Existem aplicações DC/DC onde o isolamento através do isolamento não é necessário, mas é necessária uma tensão de saída mais alta do que a entrada. No próximo exemplo mostrado na fig. 3 mostra um dobrador de tensão baseado em um conversor DC/DC que produz uma tensão de saída que é o dobro da tensão de entrada.

As vantagens aqui residem no fato aparentemente estranho de que, se um conversor DC/DC for classificado em 15W, então em uma tensão de saída de 12V, ele fornecerá uma corrente de trabalho de até 1,25A. No entanto, essa tensão de saída é maior que a tensão de entrada de 12 V. Portanto, a carga é alimentada com uma tensão de 24 V com uma corrente de 1,25 A, ou seja, temos uma potência total de 30 W.

Como você sabe, a vantagem dos conversores DC / DC pulsados ​​redutores sobre os lineares é que eles consomem menos corrente na entrada do que a que fornecem à carga. Se precisarmos implementar os barramentos internos do intermediário da forma mais simples possível, e com boa eficiência e inevitável desacoplamento do solo, então é melhor do que o mostrado na Fig. 4 opções são difíceis de encontrar.

Arroz. 4. Fonte de alimentação com três tensões de saída, usando conversores DC/DC (Atenção! A imagem foi alterada para caber na base TRACO!)

E para concluir, damos outro exemplo importante e útil. Se você tiver uma “mistura” de estágios analógicos e digitais na placa, que, além disso, possuem um barramento de alimentação e terra comum de 5 V (ou seja, à primeira vista, isso não pode ser separado), os circuitos integrados analógicos podem apresentar problemas causada por um nível significativo de interferência de alta frequência de circuitos que transportam sinais digitais. Isso é especialmente perceptível em aplicações de medição, áudio ou vídeo. Quanto a um aterramento comum, muitas vezes é necessário onde as partes analógicas e digitais do circuito compartilham a mesma fonte de sinal comum. Isso muitas vezes torna impossível sua separação galvânica completa.

Na fig. A Figura 5 mostra um circuito aparentemente sem sentido que converte uma tensão de entrada de 5 V em uma tensão de saída igual aos mesmos 5 V, e por algum motivo isso é feito por um conversor isolado em uma conexão não isolada. A razão pela qual este circuito realmente faz sentido é por causa das características e especificações de tais conversores DC/DC. E ela ajuda a resolver o problema.

Arroz. 5. Conversor de +5V para +5VDC não isolado para limpar o trilho de +5V

A essência da solução reside no fato de que a faixa de tensão de entrada do conversor é de +5 V com um certo nível de irregularidade de flutuações e ruídos, e sua tensão de saída é mantida em 5 V ± 0,8%, portanto, esse conversor será limpa não apenas ruídos e interferências, mas também pequenas variações de tensão em sua entrada, suprimindo surtos e transientes que inevitavelmente ocorrem em estágios digitais.

Um circuito semelhante (Fig. 5) foi usado pelo autor em um dos produtos seriais de propósito especial, no qual um microcontrolador com estágios digitais, um amplificador altamente sensível e filtros analógicos de alta ordem estavam localizados em uma placa de circuito impresso extremamente compacta . A solução mostrou uma eficiência muito alta ao trabalhar com sinais em um nível de frações de milivolts.

Arroz. 6. Radiografia de um fragmento de um regulador de comutação de marca conhecida (imagem à esquerda) e réplicas deste produto feitas por seu concorrente (imagem à direita)

E finalmente, se usarmos a separação de isolamento, por exemplo, ao nível de requisitos para equipamentos de telecomunicações, vale a pena perseguir e usar conversores DC/DC com uma resistência de barreira de isolamento muito alta? Se você não está limitado em fundos e o cliente percebe com calma o seu vôo de fantasia, então este é o seu direito, você pode até encomendar um transdutor com incrustação e, acredite, eles fabricam e entregam para você. Apenas um desenvolvedor responsável se sai melhor usando a regra de Benjamin Franklin.

Conforme mencionado no início do artigo, existem muitos conversores DC/DC de um grande número de fabricantes disponíveis para desenvolvedores. Aqui você precisa lembrar que o avarento paga duas vezes, e para produtos responsáveis, não se deixe enganar por ofertas duvidosas com preços baixos. Se você acha que a mesma solução está escondida atrás do mesmo nome, está profundamente enganado. Uma réplica de uma marca conhecida só pode ter a mesma aparência e nome. Um exemplo ilustrativo é mostrado na Fig. 6.

Arroz. 7. Conversores TEL Série 8 isolados de 8W DC/DC da TRACO Electronic

Como vimos, os conversores DC/DC com o mesmo nome podem ter designs completamente diferentes. Por isso, no início do artigo, a busca por um fornecedor confiável foi mencionada entre as questões mais importantes. Portanto, é melhor e mais tranquilo lidar com marcas conhecidas, então você certamente receberá pelo seu dinheiro exatamente o produto que atenderá a todos os seus requisitos, e você não terá que corar na frente do cliente do projeto ou na frente do usuário final do produto que você desenvolveu.

Uma dessas marcas testadas ao longo do tempo é a TRACO Electronic, que em dezembro de 2016 lançou uma linha de conversores de telecomunicações de 8 W de alta qualidade TEL 8, produzidos sob a marca (Fig. 7).

Esses conversores se distinguem não apenas pelas altas características técnicas e pequenas dimensões, mas também pela alta confiabilidade (pelo menos 1 milhão h), rigidez dielétrica do isolamento (1800 V/1 se 1500 V/60 s), alta precisão da saída nominal ajuste de tensão (± 2%) e sua estabilidade (0,8% quando a tensão de entrada muda em toda a faixa e 1% em toda a faixa de carga - de zero ao máximo), proteção avançada contra sobrecarga (150%) com auto-recuperação (soluço ), tensão de entrada inaceitavelmente baixa e eletrostática ao nível dos requisitos da norma EN 61000-4-2 (no ar ±8 kV, contato ±6 kV). Os conversores da série TEL 8 atendem aos requisitos de compatibilidade eletromagnética e são resistentes a interferências externas com intensidades de campo de até 10 V/m (norma EN 61000-4-3). Os conversores são feitos em caixas metálicas de alumínio e, não menos importante, com um filtro já embutido para suprimir interferência eletromagnética de acordo com EN55022 Classe A. A faixa de temperatura de operação dos conversores da série TEL 8 é de -40 ... +80 °C com uma temperatura máxima da caixa de até +105 °C. Os conversores podem ser utilizados em equipamentos que operam em altitudes de até 4.000 m acima do nível do mar, possuem todos os certificados de segurança necessários e atendem aos requisitos da Diretiva RoHS. Os principais parâmetros elétricos que permitem fazer uma seleção preliminar do conversor desejado são mostrados na Tabela. 1. Todos os detalhes dos transmissores da série TRACO Electronic TEL 8 e links para obtenção de certificados estão disponíveis diretamente em sua folha de dados.

tabela 1

Literatura

1. Rentyuk V. Conversor DC/DC de baixa potência isolado: fazer ou comprar? // Um ​​eletricista. 2012. Nº 12.
2. Rentyuk V. Novas possibilidades de conversores DC/DC modernos: características de tomada de decisão na escolha e aplicações típicas // Elektrik. 2015. Nº 7–9.
3. Projetando Conversores DC-DC de Múltiplas Saídas de Baixo Custo. NOTA DE APLICAÇÃO, Würth Elektronik eiSos 2013-09-10.
4. Rentyuk V., Filatov V. Fontes de energia com alta tensão de ruptura sobre isolamento. Segurança acima de tudo // Componentes e tecnologias. 2016. Nº 3.
5. Steve Roberts. DC/DC LIVRO DE CONHECIMENTO: Dicas práticas para o usuário. Segunda edição, 2015.

1. Conversor DC/DC TEL 8 Series, 8 Watt Rev. 21 de dezembro de 2016. http://assets.tracopower.com/20170126153146/TEL8/documents/tel8-datasheet.pdf

Já houve mais de uma dezena de revisões e melhorias no conhecido kit para montagem de PSU de laboratório, mas com esse refinamento consegui torná-lo “independente do transformador”, agora não requer tensão CA e funciona muito bem da DC!

Tendo comprado este kit (uma excelente revisão, que foi minha inspiração, aqui :)), li atentamente todas as revisões e fiz tudo de acordo com suas recomendações - mudei os diodos de entrada para Schottky, coloquei eletrólitos de alta qualidade em todos os lugares.

Mas surgiu o problema de um transformador, temos um pesado soviético à venda, que é barulhento e grande, e encomendar da China, por causa do peso, é caro. Sentei-me para pensar, graças à revisão de Kirich, sabia que o transformador é usado para obter uma tensão de alimentação negativa para o amplificador operacional sem problemas. Mas e se obtivermos uma tensão negativa por um método alternativo? Eu pensei e conduzi um experimento fornecendo energia ao amplificador operacional de outro PSU de laboratório. Tudo funcionou perfeitamente, então encomendei esses conversores e decidi finalizar o circuito radicalmente.

Todas as melhorias são visíveis na foto, partes que não valem a pena não podem ser colocadas imediatamente. São diodos de entrada (todos com 4 peças), dois diodos 1N4148, um resistor de 82 ohms, um capacitor de 47 microfarads, um diodo zener de 5,1v e um resistor de 220 ohms, substituímos por um jumper.

Em vez de um estabilizador 7824, soldamos 7805 e colocamos um capacitor no local onde o ventilador está conectado (coloco 330uF 16 volts, você pode colocar qualquer outro com parâmetros semelhantes) e ao lado do capacitor fazemos 4 furos, em que inserimos o conversor.

Outras melhorias na parte de trás da placa podem ser vistas na foto abaixo. Além disso, soldei um capacitor de 0,1uF em paralelo com o de entrada, apenas por precaução.

Soldei um fio vermelho e preto nos orifícios das pernas dos diodos do retificador de entrada - agora a energia será fornecida a eles. Na foto, o LED também não está soldado, e os resistores de ajuste estão bem na placa, e 0,47 ohm também está no lugar. Na versão final, ao invés de 0,47 ohm vou colocar 0,1 ohm, os resistores serão de 10 voltas, e o LED ficará no painel frontal.

Encomendei a fonte de alimentação para 24 volts 3 amperes, também da revisão do respeitado Kirich (). Em termos de preço e peso, acaba sendo mais barato que um transformador do tamanho necessário.

A seu pedido, estou postando um esquema de melhorias.

Espero que esta revisão seja útil para você, e não seja difícil repeti-la. Atenciosamente, sua Ana :)