Conversores DC/DC – Considerações Práticas

Neste post e respectivo vídeo no meu canal no Youtube eu pretendo fazer uma abordagem prática sobre um conversor DC/DC específico que utilizei no projeto de adaptação de uma fonte ATX para bancada de eletrônica.

O projeto faz parte da série NÃO JOGUE NO LIXO que venho publicando na Revista Antenna e cujos exemplares, desde setembro de 2021, podem ser baixados GRÁTIS aqui no site.

Eu já apresentei aqui no site e na Revista outros conversores DC/DC como, por exemplo, numa solução para substituição da bateria de 22,5V de alguns multímetros analógicos.

Uma breve descrição sobre conversores DC/DC

Sabemos que não podemos alterar o valor de uma tensão DC utilizando um transformador e por isso, durante muitos anos, eles, os transformadores, eram um componente obrigatório nos equipamentos eletrônicos que não fossem alimentados por pilhas ou baterias.

A ideia de alterar o valor de uma tensão DC, para mais ou para menos, é tão antiga quanto a eletricidade.

O modo mais simples seria usar um resistor em série, que  irá dissipar  uma potência absurda, em alguns casos,  com o respectivo calor que será gerado e portanto, pouco conveniente.

A bobina de ignição (enorme) nos automóveis antigos produzia pulsos de milhares de volts a partir de uma bateria que fornecia apenas 12VDC portanto, em última análise é também uma espécie de conversor DC/DC.

Entretanto, este é um processo eletromecânico e todos irão concordar que não é “muito adequado” para usar num moderno televisor LCD, por exemplo.

Por outro lado, “transformar” eletronicamente uma tensão DC, para um valor maior ou menor, esbarrava na utilização de diodos e transistores que operassem com altas correntes e altas frequências.

A evolução da tecnologia dos semicondutores pouco a pouco foi superando este impasse o que propiciou o surgimento de diversos módulos conversores DC/DC made in China por preços acessíveis (em dólar).

Basicamente temos os seguintes tipos de conversores:

  • Conversor DC/DC ou Chopper
  • Conversor Step-Down ou Buck
  • Conversor Step-Up ou Boost
  • Conversor Buck-Boost

Não irei entrar em detalhes teóricos sobre o funcionamento de cada um, pois não é o escopo deste post, todavia vale dar uma brevíssima descrição da aplicação de cada um.

O conversor DC/DC ou Chopper é utilizado quando temos uma tensão DC, para alimentar cargas que exijam controle linear na tensão de alimentação sobre elas, oriunda de um circuito retificador com filtro ou uma bateria.

Estes conversores utilizam um circuito PWM e podem  ser usados para aumentar ou diminuir a tensão. São popularmente chamados de Fontes Chaveadas ou SMPS (Switch Mode Power Supply).

Quanto aos conversores Step-Down ou Buck eles são utilizados quando desejamos reduzir o valor de uma tensão DC, enquanto os Step-Up ou Boost fazem o inverso, ou seja, elevam o valor da tensão DC.

Finalmente, os conversores tipo Buck-Boost podem fazer as duas coisas, ou seja elevar o diminuir a tensão.

Neste post e vídeo analisarei o tipo Boost Converter ou Step-up da fig. 1 que será utilizado na adaptação da fonte ATX para uso em bancada.

Fig.1 – Conversor DC DC Step UP

Para poder demonstrar o funcionamento deste conversor eu preparei um set up de acordo com a fig.2.

Fig.2 – Set up de teste de um conversor DC/DC

Na monitoração das tensões, correntes e potências tanto na entrada como na saída do conversor utilizei dois displays digitais como estes mostrados na fig.3.

Fig.3 – Voltímetro/amperímetro/wattímetro digital

             

Na fig. 4 temos a parte de trás dos displays digitais e os respectivos conectores.

Fig.4 – Parte de trás do display

O cabo com três fios mostrado na parte de cima é utilizado para medir a tensão (fio amarelo) e alimentar o display (fios preto e vermelho).

Quanto ao cabo com dois fios (preto e vermelho) mais grossos, mostrado na parte de baixo, será usado para ligar o shunt à carga e indicar a corrente circulando nela.

Antes de prosseguir gostaria de chamar sua atenção para um detalhe importante.

Se você é um bom observador deve ter notado, olhando a fig. 2, que o fio vermelho deste conector foi ligado ao conector preto, ou seja, o negativo onde ligaremos a carga.

Se estranhou essa configuração ou está pensando que há um erro no desenho já lhe garanto que não.

O que ocorre é que amperímetros digitais, diferentemente dos analógicos, não medem corrente diretamente e sim, através de um “pequeno truque”.

Eles medem a queda de tensão no shunt que está em série com a carga.

Se o shunt for de valor ôhmico muito baixo, da ordem de miliohms, ele não interferirá significativamente no valor da tensão sobre a carga.

Outro truque consiste em fazê-lo de valor unitário, assim, a queda de tensão em milivolts, pode ser facilmente convertida em corrente.

Se não entendeu o “truque”, leia meu post Tudo que você precisa saber sobre o “método de quatro pontas” ou método Kelvin que está explicado detalhadamente nele.

Mais uma questão que você pode ter estranhado é sobre a função da chave liga/desliga colocada na entrada do conversor DC/DC que aparece na fig.2.

Eu pretendo que o instrumento da esquerda possa medir ora a tensão/corrente/potência sobre a carga ligada diretamente à saída de 12V da fonte ATX e ora quando a carga sobre os 12V fonte ATX for o conversor DC/DC.

É aí que entra a função da chave. Se estiver aberta não alimentaremos o conversor e portanto, também não teremos tensão na saída ajustável.

Por outro lado, quando fechamos a chave não poderemos colocar nenhuma carga nos 12V da fonte ATX, pois a carga sobre ela passará a ser o conversor DC/DC e precisaremos estar atentos quanto de corrente e potência ele está consumindo o que irá variar de acordo com a carga ligada a sua saída.

Lembre-se que se ultrapassarmos 10A corremos o risco de queimar o MOSFET NCE8295A ou o duplo diodo Schottky MBR20100CT antes do fusível abrir, a menos, talvez, que usemos um fusível de ação rápida (talvez).

A eficiência do conversor

A eficiência de um circuito é calculada pela relação entre a potência de saída e a potência de entrada como vemos na fórmula abaixo.

O data sheet do fabricante informa que a eficiência máxima é de 96%.

Na prática veremos que em algumas situações a eficiência fica bem abaixo deste valor.

No vídeo a seguir veremos praticamente tudo que foi explanado no texto.

 

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Paulo Brites

Técnico em eletrônica formado em 1968 pela Escola Técnica de Ciências Eletrônicas, professor de matemática formado pela UFF/CEDERJ com especialização em física. Atualmente aposentado atuando como técnico free lance em restauração de aparelhos antigos, escrevendo e-books e artigos técnicos e dando aula particular de matemática e física.

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9 Comentários

  1. José Luiz Britto dos Santos

    Bom dia, Professor!!
    Assuntos básicos e muito importante, que geralmente não damos a devida atenção! Muito obrigado.
    Minha dúvida é a respeito do texto referente a chave entre a a fonte atx e entrada do conversor. Li e reli umas 4 vezes.
    O que entendi, o sr. quer medir o consumo na saída da fonte atx com e sem a carga na saída do conversor. Para ver consumo do conversor sem carga.
    Pergunta: essa chave não deveria ficar na saída do conversor, entre o conversor e a carga ?
    Grato pela atenção.

    • Paulo Brites

      Olá José Luiz
      Vamos ver se eu entendi sua dúvida principalmente porque você leu e releu e não entendi.
      São duas situações
      Quando estivemos trabalhando apenas com a fonte de 12V o conversor deve ficar desligado para sua carga não pesar sobre ela, por isso a chave. Quando uso o conversor eu quero ver também quanto ele está puxando da fonte de 12V.
      Em outras palavras se a chave ficasse na saída do conversor mesmo assim ele sozinho estaria puxando corrente da fonte de 12V, por isso coloquei a chave na entrada para isolá-lo completamente.
      Não sei se você chegou a ver o video e se viu ainda teve dúvida.
      Esse projeto está sendo publicado na Revista Antenna (baixe gratis aqui no site) e este mês vou terminá-lo com a parte prática.
      Se ainda não ficou claro, não se acanhe em dizer. O importante é “aprender sempre!”
      Abraços

      • José Luiz Britto dos Santos

        Bom dia!
        Ainda não tinha visto o vídeo. Agora entendi o objetivo da chave na entrada do conversor.

        Obrigado.

        • Paulo Brites

          Que bom José Luiz.
          Obrigado pelo retorno

  2. ANTONIO HENRIQUE GRIZOTTI

    Prezado professor Paulo.
    Achei muito interessante seu artigo, inclusive vi primeiro o vídeo, inclusive deixei um comentário por lá e depois passei por aqui.
    Falando sobre conversores DC-DC, eu utilizo um conversor desses, só que ao invés de step-up, ele é step-down e segundo o fabricante, suporta até 9A. Será?!?!?!?!.
    Minha dúvida, se puder ser respondida por aqui é:
    Eu tenho uma fonte chaveada que me fornece 24 volts DC x 20A reais. Trata-se uma fonte de uso em automação industrial que eu reparei faz pouco tempo. Inclusive solicitei ao senhor quando tiver tempo falar um pouco sobre o P6KE200 supresor ESD que foi o componente defeituoso em questão.
    Mas voltando a fonte, ela me fornece 24 volts fixos e estabilizados x 20A, o conversor supostamente suporta até 9A, se eu ligar dois em paralelo, substituindo os potenciômetros multivoltas de ambos por um potenciômetro duplo será daria certo? Afinal serão dois conversores DC-DC em paralelo com 9A cada o que me daria uma margem de supostos 18A, bem proximo do que fonte pode fornecer.
    É correto afirmar que jamais tentaria usar os 18A mas uns 15A talvez eu consiga usar, certo? O que o Sr. acha?

    • Paulo Brites

      Olá Grizootti
      Deixa ver se eu entendi.
      Você que dobrar a corrente do conversor de 9A ?
      Não seria mais simples trocar o transistor chaveador dele, os diodos e melhorar a dissipação de calor?
      Qual o modelo deste conversor?
      Vamos conversar mais sobre isso no e-mail
      Quanto a P6KE200 já anotei num post-ir e pendurei no meu quadro de “pendências”.

  3. Luiz Apolinário

    Obrigado Professor!

  4. Luiz Apolinário

    Bom dia Prof. Paulo Brites!
    Aqui é o Luiz Apolinário.
    Utilizo em minha bancada uma fonte ajustável de 1,23V a 25V, que montei com uma fonte ATX velha e um conversor DC-DC XW036FR4, esse conversor utiliza um LM2577 e um LM2596. O conversor ajusta a tensão de +12Vdc da fonte ATX e como display utilizo o DSN-VC288, porém este display eu alimento com os +5Vdc fornecido pela fonte ATX e na figura 2 do seu artigo o segundo mostrador está sendo alimentado por uma fonte externa, a minha dúvida é a seguinte: Mesmo alimentando o display com o +5Vdc da fonte ATX que utilizo somente para esse fim, pode acarretar em algum problema no conversor?

    • Paulo Brites

      Olá Luiz Apolinário
      Eu não sei se você assistiu o video que está junto com o post e nele eu explico porque usei uma fonte separada.
      No seu caso não tem problema porque você está um único display, mas eu usei dois. Um para medir ora os 12V fixos e ora para medir os 12V na entrada do conversor DC DC e outro para medir a saída do conversor, ou seja, a fonte ajustável.
      Estou publicando uma série de artigos na Revista Antenna sobre adaptações em fontes ATX. Estão disponíveis aqui no site também.
      Mas a sua ideia também é boa. Tudo depende da aplicação que se pretende.

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