Faça este conversor Buck usando o Arduino

Neste projeto, vamos reduzir 12v D.C para qualquer valor D.C entre 2 e 11volts. O circuito que reduz a tensão DC é conhecido como conversor Buck. A tensão de saída ou tensão de redução necessária é controlada por meio de um potenciômetro conectado ao Arduino.

Por Ankit Negi

INTRODUÇÃO A CONVERSORES:

Existem basicamente dois tipos de conversores:

1. Conversor Buck

2. Conversor de reforço

Ambos os conversores alteram a tensão de entrada de acordo com o requisito. Eles são semelhantes a um transformador com uma diferença principal. Enquanto o transformador aumenta / diminui uma tensão A.C, os conversores D.C aumentam / diminuem a tensão DC. Os principais componentes de ambos os conversores são:

A. MOSFET

B. INDUTOR

C. CAPACITOR

BUCK CONVERTER: como o próprio nome sugere, buck significa diminuir a tensão de entrada. Conversor Buck nos dá a tensão menor do que a tensão DC de entrada com alta capacidade de corrente. É uma conversão direta.

BOOST CONVERTER: como o próprio nome sugere, boost significa aumentar a tensão de entrada.

O conversor Boost nos dá a tensão DC mais do que a tensão DC na entrada. Também é uma conversão direta.

** neste projeto, vamos fazer um circuito conversor de Buck para reduzir 12 v D.C usando arduino como uma fonte de PWM.

ALTERANDO A FREQUÊNCIA PWM NOS PINOS ARDUINO:

Os pinos PWM do arduino UNO são 3, 5, 6, 9, 10 e 11.

Para realizar o PWM, o comando usado é:

analogWrite (PWM PIN NO, PWM VALUE)

e a frequência PWM para esses pinos são:

Para Arduino Pins 9, 10, 11 e 3 ---- 500 Hz

Para Arduino Pins 5 e 6 ---- 1kHz

Essas frequências são adequadas para uso geral, como atenuação de um led. Mas para circuito como conversor buck ou boost , é necessária uma fonte PWM de alta frequência (na faixa de dezenas de KHZ) porque o MOSFET precisa de alta frequência para a comutação perfeita e também a entrada de alta frequência diminui o valor ou o tamanho dos componentes do circuito como indutor e capacitor. Assim, para este projeto, precisamos de uma fonte PWM de alta frequência.

O bom é que podemos alterar a frequência PWM dos pinos PWM do Arduino usando um código simples:

PARA ARDUINO UNO:

Frequência PWM disponível para D3 e D11:
// TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000001 // para frequência PWM de 31372,55 Hz
// TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000010 // para frequência PWM de 3921,16 Hz
// TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000011 // para frequência PWM de 980,39 Hz
TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000100 // para frequência PWM de 490,20 Hz (O DEFAULT)
// TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000101 // para frequência PWM de 245,10 Hz
// TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000110 // para frequência PWM de 122,55 Hz
// TCCR2B = TCCR2B & B11111000 | B00000111 // para frequência PWM de 30,64 Hz
Frequência PWM disponível para D5 e D6:
// TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000001 // para frequência PWM de 62500,00 Hz
// TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000010 // para frequência PWM de 7.812,50 Hz
TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000011 // para frequência PWM de 976,56 Hz (O DEFAULT)
// TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000100 // para frequência PWM de 244,14 Hz
// TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000101 // para frequência PWM de 61,04 Hz
Frequência PWM disponível para D9 e D10:
// TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000001 // definir divisor do temporizador 1 para 1 para frequência PWM de 31.372,55 Hz
// TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000010 // para frequência PWM de 3921,16 Hz
TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000011 // para frequência PWM de 490,20 Hz (O DEFAULT)
// TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000100 // para frequência PWM de 122,55 Hz
// TCCR1B = TCCR1B & B11111000 | B00000101 // para frequência PWM de 30,64 Hz
** vamos usar o pino no. 6 para PWM, daí o código:
// TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000001 // para frequência PWM de 62,5 KHz

LISTA DE COMPONENTES:

1. ARDUINO UNO

2. INDUTOR (100Uh)

3. DIODO SCHOTTKY

4. CAPACITOR (100 uf)

5. IRF540N

6. POTENCIÔMETRO

7. 10k, 100 ohm RESISTOR

8. CARGA (motor neste caso)

BATERIA 9,12 V

DIAGRAMA DE CIRCUITO

Faça as conexões conforme mostrado no diagrama do circuito.

1. Conecte os terminais finais do potenciômetro ao pino 5v e ao pino terra do arduino UNO, respectivamente, enquanto seu terminal limpador ao pino analógico A1 do pino.

2. Conecte o pino 6 do PWM do Arduino à base do mosfet.

3. Terminal positivo da bateria para drenar o mosfet e negativo para o terminal p do diodo Schottky.

4. Do terminal p do diodo Schottky, conecte a carga (motor) em série com o indutor ao terminal fonte do mosfet.

5. Agora conecte o terminal n do diodo schottky ao terminal de origem do mosfet.

6. Conecte o capacitor 47uf no motor.

7. Por último, conecte o pino terra do Arduino ao terminal de origem do mosfet.

Objetivo do mosfet:

Mosfet é usado para mudar a tensão de entrada em alta frequência e fornecer alta corrente com menos dissipação de calor.

Objetivo do arduino:

Para alta velocidade de comutação de mosfet (na frequência de 65 KHz aprox.)

Objetivo do indutor:

Se este circuito for executado sem conectar um indutor, então há grandes chances de danificar o mosfet devido a picos de alta tensão no terminal do mosfet.

Para evitar que o mosfet tenha esses picos de alta tensão, ele é conectado como mostrado na figura, pois quando o mosfet está ligado, ele armazena energia e quando o mosfet está desligado ele distribui essa energia armazenada para o motor.

Objetivo do diodo Schottky:

Objetivo do potenciômetro:

Potenciômetro fornece valor analógico para o arduino (com base na posição do terminal do limpador) de acordo com o qual a tensão pwm é recebida pelo terminal do portão do mosfet do pino 6 do PWM do Arduino. Em última análise, esse valor controla a tensão de saída na carga.

Por que o resistor está conectado entre a porta e a fonte?

Mesmo uma pequena quantidade de ruído pode ligar o mosfet. Daí um puxar para baixo o resistor está conectado entre a porta e o solo, ou seja, a fonte.

Código do Programa

Burn this code to arduino:
int m // initialize variable m
int n // initialize variable n
void setup()
B00000001 // for PWM frequency of 62.5 KHz on pin 6( explained under code section)
Serial.begin(9600) // begin serial communication

void loop()
{
m= analogRead(A1) // read voltage value from pin A1 at which pot. wiper terminal is connected
n= map(m,0,1023,0,255) // map this ip value betwenn 0 and 255
analogWrite(6,n) // write mapped value on pin 6
Serial.print(' PWM Value ')
Serial.println(n)
}

EXPLICAÇÃO DO CÓDIGO

1. A variável x é o valor de tensão recebido do pino A1 no qual o terminal do limpador do potenciômetro está conectado.

2. A variável y é atribuída ao valor mapeado que está entre 0 e 255.

3. ** como já explicado na seção acima para circuitos como o conversor buck ou boost, é necessária uma fonte PWM de alta frequência (na faixa de dezenas de KHZ) porque o MOSFET precisa de alta frequência para comutação perfeita e a entrada de alta frequência diminui o valor ou tamanho de componentes de circuito como indutor e capacitor.

Portanto, vamos usar este código simples para gerar uma tensão pwm de aprox. Frequência de 65 kHz: TCCR0B = TCCR0B & B11111000 | B00000001 // para frequência PWM de 62,5 KHz no pino 6

Como funciona:

Como o potenciômetro fornece um valor analógico para o arduino (com base na posição do terminal do limpador), ele determina o valor de tensão pwm recebido pelo terminal de porta do mosfet do pino 6 do PWM do Arduino.

E esse valor, em última análise, controla a tensão de saída na carga.

Imagens de protótipo: