DC to DC conversor

Nesta sec¸c˜ao aborda-se os reguladores de tens˜ao, para tal vai-se descrever o funcionamento de trˆes tipos de conversores, o step-up, step-down e o buck-boost, como os nomes sugerem no step-up a tens˜ao de sa´ıda ´e superior `a tens˜ao de entrada do circuito, contudo a corrente de sa´ıda ´e inferior `a de entrada, este aspeto ´e verific´avel atrav´es da lei da potˆencia:

Figura 3.8: Circuito impresso com o MPPT e carregador de baterias.

Como a potˆencia n˜ao pode aumentar da entrada para a sa´ıda logo a corrente de sa´ıda tem de diminuir para a tens˜ao de sa´ıda puder aumentar. Enquanto que o step-down conversor faz exatamente o contr´ario.

Na figura 3.9 encontra-se o diagrama de um regulador de tens˜ao do tipo step-up, que consiste numa fonte de tens˜ao de entrada em DC Vs, uma bobine L, um interruptor S, um

d´ıodo D, um condensador C e uma resistˆencia R. O funcionamento deste circuito ´e o seguinte, quando o interruptor est´a ligado a corrente na bobine vai aumentar linearmente e o d´ıodo est´a off nesse per´ıodo, quando o interruptor estiver desligado a energia armazenada na bobine libertada para o circuito ResistorCapacitor -RC [11].

Figura 3.9: Regulador de tens˜ao do tipo step-up, adaptado de [11].

Na figura 3.10 encontra-se um regulador de tens˜ao do tipo step-down, que consiste nos mesmos componentes que o regulador step-up mas dispostos de maneira diferente. Quando o interruptor est´a ligado a corrente na bobine vai aumentar linearmente e o d´ıodo est´a no estado off, quando o interruptor est´a desligado a corrente armazenada na bobine ´e libertada para o circuito RC [11].

Figura 3.10: Regulador de tens˜ao do tipo step-down, adaptado de [11].

Na figura 3.11 est´a representado um buck-boost. Este tipo de reguladores ´e utilizado para casos em que a tens˜ao de entrada ´e vari´avel. Neste caso quando o interruptor est´a ligado a corrente da bobine aumenta e o d´ıodo fica num estado off. Quando o interruptor est´a desligado o d´ıodo cria um caminho para a bobine, ´e de notar que neste caso a corrente est´a a ser retirada da sa´ıda [11].

Figura 3.11: Regulador de tens˜ao do tipo buck-boost, adaptado de [11].

Dado que os sistemas que precisam de ser alimentados necessitam de tens˜oes entre 5 V e 12 V e a tens˜ao da bateria escolhida de 3.7 V decidiu-se fazer um regulador do tipo step-up, como existem trˆes sistemas para serem alimentados cada um deles ter´a o seu regulador de tens˜ao, escolheu-se esta op¸c˜ao para que a potˆencia esteja distribu´ıda pelos trˆes reguladores, desta forma o desempenho dos reguladores ser´a melhor.

Na figura 3.12 encontra-se o circuito de teste em que a entrada do circuito ´e uma bateria de l´ıtio de 3.7 V e a sa´ıda ´e de 7 V e 5.1 V numa segunda vers˜ao, para tal foi realizado um regulador do tipo step-up com o LTC3122 [25].

Este componente foi escolhido devido a v´arias das suas caracter´ısticas entre as quais a tens˜ao de entrada entre 1.8 a 5.5 V o que ´e ideal para a bateria de l´ıtio escolhida, a tens˜ao de sa´ıda de 2.2 a 15 V, a eficiˆencia at´e 95%, a frequˆencia de comuta¸c˜ao ajust´avel de 300kHz a 3MHz e a prote¸c˜ao contra a sobre-eleva¸c˜ao da tens˜ao de sa´ıda. Na figura 3.12 encontra-se o esquem´atico do regulador step-up, tendo sido desenvolvidas duas vers˜oes deste circuito, as diferen¸cas entre elas s˜ao as tens˜oes de sa´ıda, uma de 5.1 V para o Raspberry e outra de 7 V para o LimeSDR e Arduino.

Em ambas a s vers˜oes deste circuito este apresenta uma frequˆencia de comuta¸c˜ao de aproximadamente 410KHz. As diferen¸cas entre as duas vers˜oes encontram-se na parte do circuito que define a tens˜ao de sa´ıda e no loop de compensa¸c˜ao.

Figura 3.12: Regulador step-up com o LTC3122.

Figura 3.13: Circuito impresso do regulador step-up.

Nas figuras 3.14 e 3.15 encontram-se os valores da tens˜ao de sa´ıda com uma resistˆencia de carga de 25Ω para as duas vers˜oes desenvolvidas. Verifica-se que para ambos os casos os valores se encontram a baixo dos valores pretendidos no caso do circuito com a sa´ıda de 5.1 V encontra-se a 4.76 V e no circuito com a tens˜ao de sa´ıda de 7 V encontra-se a 6.87 V, o que poder´a significar que o valor do ganho do amplificador de erro inclu´ıdo no LTC3122 n˜ao ´e suficiente ou que o formato do circuito impresso possa acrescentar alguns erros dado que os componentes deveriam estar mais pr´oximos do circuito integrado. Na figura 3.16 e 3.17 encontram-se o ripple da tens˜ao de sa´ıda, verificou-se que existe uma oscila¸c˜ao que tem como per´ıodo o inverso da frequˆencia de comuta¸c˜ao, no caso da resistˆencia de carga de 25Ω para o circuito com a tens˜ao de sa´ıda de 5.1 V a amplitude dessa oscila¸c˜ao ´e de 104 mV e no circuito com a tens˜ao de sa´ıda de 7 V a amplitude ´e de 228 mV.

Figura 3.14: Conversor DC-DC com tens˜ao de sa´ıda de 5.1 V.

Na tabela 3.2 e 3.3 expˆoem-se os valores de eficiˆencia para os dois circuitos apresentados anteriormente, verifica-se que para o conversor implementado para alimentar o Raspberry, tenso de sa´ıda de 5.1 V, a sua eficiˆencia varia entre 80.78% e 64.55%, o que evidencia que para resistˆencias de carga muito baixas, ou seja, correntes de carga elevados a eficiˆencia do circuito diminui bastante. Os valores de efiˆencia do conversor implementado para o LimeSDR s˜ao inferiores para as v´arias resistˆencias de carga mas para as resistˆencias de carga mais baixas a diferen¸ca para o valor mais elevado ´e menor.

Figura 3.15: Conversor DC-DC com tens˜ao de sa´ıda de 7 V.

Figura 3.16: Conversor DC-DC com tens˜ao de sa´ıda de 5.1 V.

c Figura 3.17: Conversor DC-DC com tens˜ao de sa´ıda de 7 V.

Resistˆencia de Carga (Ω) 100 50 33.3 25 11.75 Eficiˆencia (%) 78.60 80.78 80.55 75.26 64.55 Tabela 3.2: Eficiˆencia do conversor DC-DC implementado para o Raspberry.

Resistˆencia de Carga (Ω) 100 50 33.3 25 11.75 Eficiˆencia (%) 72.29 70.66 66.93 68.40 62.30 Tabela 3.3: Eficiˆencia do conversor DC-DC implementado para o LimeSDR.