Buck Converter (Convertidor Step Down):

Introducción:

Buenas, en esta entrada veremos como diseñar y construir un convertidor buck (step down) simple. Haremos uso de un microcontrolador Freescale Qt4 para generar el pwm. No haremos realimentación de la tensión de salida, o sea será a lazo abierto. Se verá como calcularlo y utilizar un programa de simulación para confirmar esos cálculos.

Figura 1: Esquemático buck converter.

Se trata de una fuente switching que convierte 12v de entrada a 7.5v con una corriente máxima de 450mA. Será usada en el proyecto de iluminación de emergencia de la entrada anterior. Me regalaron una luz de emergencia con el cargador roto, en lugar de tratar de reparalo se me ocurrió modificarla para utilizarla con el panel solar. Pero bue.. eso es cosa de otra entrada volvamos al tema.

Los requerimientos son entonces:

Vout = 7.5v.
Iout máx = 450mA.
Vin = 12v.
f  = 50kHz.
Ripple = 10%.
Rout = 17 Ohm.

Los Cálculos:

La Simulación:

Se simuló la solución con Multisim v11.0 y los resultados son bastante cercanos a lo necesario. Está disponible para descarga el archivo de Multisim.

                Figura 2: Simulación del buck converter.

Construcción del inductor:

Para su construcción usaremos un núcleo toroidal recuperado. En un núcleo la permeabilidad magnética es mayor que la del aire, entonces menos vueltas de alambre generan mayor inductancia. Se pueden usar diferentes materiales para la construcción, la diferencia entre estos es la frecuencia a que pueden estar sometidos y la permeabilidad magnética propia. La permeabilidad magnética es sencillamente la habilidad del material de concentrar las líneas de flujo magnético. El aire tiene una permeabilidad relativa de ur = 1, la misma que el vacío. Los inductores que tengan una permeabilidad cercana a uno (núcleo de aire), son de bajas pérdidas. Principalmente tienen pérdidas por conducción del alambre (resistencia del cobre). Pero como se mencionó antes los valores de inductancia alcanzados son bajos. Lo que limita su uso en el rango de las hf y vhf. Para frecuencias más bajas se utilizan núcleos con una permeabilidad relativa de cientos o miles. Valores de Hy o mHy son posibles, pero con el inconveniente de mayores  pérdidas. Reduciendo el factor de calidad del inductor (factor Q).
El material va reduciendo su permeabilidad a medida que se aumenta el campo magnético, saturación del núcleo. Efectos como el de histéresis, corrientes de eddy e inductancias de fuga también contribuyen a las pérdidas.
Los núcleos toroidales tienen un código de colores para conocer el material de que están hechos y su diámetro externo para poder ser identificados. Por ejemplo en un núcleo T50, 50 sería el díametro externo del toroide en décimas de pulgada. Para obtener el valor en mm se lo multiplica por 0.254, T50 x 0.254 = 12.7 mm

                                                                               Figura 3: Núcleo Toroidal.


Para el inductor del proyecto utilizaremos un núcleo T50, de 13 mm de díametro externo, 8mm de díametro interno y 5mm de espesor. Su color amarillo y blanco indica que es adecuado para el rango de frecuencias que van desde los 0 a 1Mhz.
 Utilizaremos el software para diseño de inductores "mini Ring Core calculator". 

 

                                                                                 Figura 4: Captura de pantalla de Mini ring core calculator.

En la solapa "Iron Powder Toroidal Core" seleccionaremos el tamaño de núcleo T50, y el material 26 (amarillo - blanco). Podemos ver el rango de frecuencia mencionado, el diámetro exterior 12.7mm, el interior 7.7mm y el espesor 4.83mm. El valor de la inductancia lo introducimos en el cuadro verde, 79 uHy. El resultado 49 vueltas, con un alambre de diámetro máximo 0.46mm.

Existen consideraciones a tener en cuenta al bobinar un núcleo toroidal. La bobina debe abarcar toda la circunsferencia del núcleo de otra manera el valor de inductancia aumenta. 



                           Figura 5: Iluminación de emergencia con el buck converter.

Sobre la selección de los componentes:

 Los semiconductores más importantes del convertidor son el Mosfet y el diodo. En el caso del diodo las características que este debe tener son:

•  Baja caída de tensión en conducción.
• Corriente media adecuada a la carga que alimenta.
• Bajo tiempo de recuperación inversa.

El Mosfet debe:

• Tener una frecuencia de conmutación adecuada para poder responder al pwm.
• La tensión inversa de ruptura no es relevante debido a la baja tensión del proyecto.
• Corriente media adecuada a la carga. 

No es la idea de esta entrada ahondar en el aspecto teórico del diseño de un convertidor buck, esto será tema de una próxima entrada.

Construcción del buck converter:

En la figura 6 aparece el pcb del convertidor con la disposición de los componentes. Como siempre en el link del final dejo todo disponible para el que quiera construirlo. Cualquier comentario o sugerencia es bien recibida.

                                                              Figura 6: Pcb del buck converter.