Carregador USB automotivo. Como este aparelho funciona internamente?

[albert_emule]

 

 

Segue uma descrição rápida no meu blog sobre este tipo de conversor:

http://eletronicaedownloads.blogspot.com.br/2017/06/carregador-usb-automotivo-como-este.html

 

Abaixo um print da tela de simulação do circuito que fiz engenharia reversa: 

 

 

 

 

 

[Sérgio Lembo]

@albert_emule, vou ter que retornar à escola. Olho com atenção o circuito, são apenas 3 transistors e mesmo sendo tão simples não consegui enxergar algo que faça a oscilação. Uma das formas que resulta em oscilação sem que se tenha um oscilador seria um comparador com histerese. Só aí lá se vão ao menos 2 transistores.

Falando específicamente do circuito postado, em Q1 associado ao zener de 3V mais uma divisão resistiva temos a referência de 5V. Beleza até aí. O segmento do circuito me deu a impressão de um comportamento linear. Como se consegue o comportamento de chaveamento?

[Sérgio Lembo]

Continuando a olhar para esse circuito e procurando o elemento ou arranjo de elementos que promovam a oscilação regulatória ao invés de uma regulagem linear, pois o circuito tem cara e cheiro de linear.

Elementos que trabalham no domínio do tempo são os indutores e capacitores. Até mesmo os transistores e resistores quando presentam uma curva de resposta associada ao tempo, este tempo é consequência de indutâncias e capacitâncias parasitas do elemento, as chamadas características que diferenciam os elementos ideais dos reais que a indústria consegue produzir.

Mirando nos capacitores e queimando os neurônios:

São apenas 3.

C1 tem a função de minimizar os efeitos das indutâncias e resistências da linha que separa essa fonte da bateria.

C3 é claramente o elemento bulk, o baldinho que armazena a energia para a carga e mantem a tensão estável.

Sobrou C2. Normalmente os controles são feitos nas entradas de controle, isto é: num transistor bipolar, o controle da saida é a base, no mos seria o gate. No entanto, ele está pendurado no coletor de Q1. Sendo uma carga que provoca reação variável no tempo, é por atraso de tempo de resposta que se tem a oscilação de chaveamento? Em controles de motores CC já vi a resposta de velocidade e corrente ficar oscilante quando o tempo de resposta estava inadequado. E não me refiro a esses motorzinhos de hobby, estou falando de máquinas entre 20 e 1500HP que tive a oportunidade de colocar para funcionar. É muito doido para mim ver implantado num circuito de regulação uma característica da qual sempre se buscou fugir. O mais doido disso tudo é que o valor do capacitor e a capacidade de Q1 apresentar resposta tem que estar muito bem casados.

Trocando em miudos, o projetista desenhou um circuito linear e implantou um elemento de instabilidade para ter chaveamento. O indutor entra como elemento que melhora a performance.

Aguardo considerações sobre o funcionamento disso dos colegas deste Forum.

Abraços a todos.

[.if]

Tenho um deste e funciona muito bem

[albert_emule]

2 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

@albert_emule, vou ter que retornar à escola. Olho com atenção o circuito, são apenas 3 transistors e mesmo sendo tão simples não consegui enxergar algo que faça a oscilação. Uma das formas que resulta em oscilação sem que se tenha um oscilador seria um comparador com histerese. Só aí lá se vão ao menos 2 transistores.

Falando específicamente do circuito postado, em Q1 associado ao zener de 3V mais uma divisão resistiva temos a referência de 5V. Beleza até aí. O segmento do circuito me deu a impressão de um comportamento linear. Como se consegue o comportamento de chaveamento?

 

Eu nem analisei o circuito.

Só montei o esquema. 

 

Mas analisando rapidamente agora, vi que o segredo pode estar no R4, no C2 e no indutor L1.

R4 faz uma realimentação e C2 faz algum tipo de adiantamento de fase.

L1 é o indutor que trabalha em modo buck.

 

Observe que já temos o transistor Q3 polarizado através de R3 e este transistor Q3 polariza diretamente o transistor de potência Q2

Então quando ligamos o circuito na bateria, inicialmente já tempos o Q2 polarizado, conduzindo. Mas apesar de tudo o R3 proporciona ainda uma polarização mais suave, pois trata-se de um resistor de 8.2K de alto valor. Este resistor serve apenas para iniciar o processo.

Quando Q2 entra em condução, alimenta diretamente aquele resistor de 100R (R4), e a corrente ainda passa pelo capacitor que oferece resistência nula para uma mudança brusca de tensão. Daí ao alimentar todo o circuito, um pulso é gerado naquele resistor que passa pelo capacitor fazendo polarizar intensamente o transistor Q3 que por sua vez polariza fortemente o transistor Q2 de potência.

 

Só este efeito já faz o transistor Q2 que é de potência, gerar um tipo de pulso de 12V.

Isso faz a corrente subir no indutor conforme o gráfico abaixo: 

 

 

 

 

Daí por diante, se a tensão de 5V na saída for alcançada, o zener faz polarizar o transistor Q1 que por sua vez despolariza Q3 e o transistor de potência Q2 é depolarizo também. Q2 despolariza totalmente.

 

Se a corrente máxima for alcançada, o resistor R5 de 0.18R dá uma queda de tensão que acaba fazendo o mesmo processo que o zener faz, só que pela corrente, polarizando Q1 o que faz despolarizar Q3 e o Q2 também.

 

Eu descrevi como o pulso PWM é gerado. 

Não é bem um PWM. O pulso é gerado conforme necessidade. Mas devido a indutância do indutor ser bem baixa, a freqüência de comutação é alta. 

 

Quando Q1 é polarizado, faz o Q3 despolarizar que por sua vez também faz o transistor de potência Q2 despolarizar. Nesta situação o resistor R1 de 2.4K ajuda a manter o transistor de potência Q2 bem desligado. Este resistor descarrega a base do transistor. Descarrega a capacitância residual, fazendo o pulso ficar perfeito na hora de desligar.

Uma vez que a tensão de saída de 5V abaixa alguns milivolts e o zener deixa de conduzir, o processo de reinicia. 

Ou então se a a carga for muito alta a ponto da tensão de saída for forçada a cair e o zener não for usado, é o resistor R5 de 0.18R que vai fazer o processo de polarizar Q1 que por sua vez irá despolarizar Q3 que por sua vez irá despolarizar o transistor de potência Q2.

 

Este processo fica oscilatório indefinidamente enquanto houver alimentação. 

 

 

[Sérgio Lembo]

O funcionamento do indutor eu conheço bem, minha discussão está na oscilação da linha de controle. Potência não é nada sem controle. Tenho  para mim que se C2 for eliminado o circuito passa a ter funcionamento linear.

[albert_emule]

48 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

O funcionamento do indutor eu conheço bem, minha discussão está na oscilação da linha de controle. Potência não é nada sem controle. Tenho  para mim que se C2 for eliminado o circuito passa a ter funcionamento linear.

 

É a mesma abordagem deste outro circuito: (Meu artigo também).

http://eletronicaedownloads.blogspot.com.br/2014/06/projeto-e-calculo-dos-indutores-de-uma.html

Tem um resistor de alto valor que já pega lá dos 310V DC e meio que polariza o mosfet

Este conduz e induz uma tensão numa bobina secundária que está realimentada positivamente e isso faz o mosfet conduzir em altíssima velocidade, formando um pulso como se fosse uma chave liga-desliga. 

 

Se a tensão atinge o valor nominal, um zener aciona um transistor que corta a polarização.

Ou se for a corrente que chegar no valor máximo, é um resistor que dá uma queda de tensão e faz um transistor cortar a polarização.

E quando corta a polarização o campo magnético se inverti, e faz gerar tensão negativa no gate de forma instantânea.

Daí o mosfet também deliga de forma instantânea.  

A tendência é trabalhar como uma chave liga desliga. 

 

A abordagem do circuito do carregador USB automotivo não muda. É bem parecida; 

Observe que já temos o transistor Q3 polarizado através de R3 e este transistor Q3 polariza diretamente o transistor de potência Q2

Então quando ligamos o circuito na bateria, inicialmente já tempos o Q2 polarizado, conduzindo. Mas apesar de tudo o R3 proporciona ainda uma polarização mais suave, pois trata-se de um resistor de 8.2K de alto valor. Este resistor serve apenas para iniciar o processo.

Quando Q2 entra em condução, alimenta diretamente aquele resistor de 100R (R4), e a corrente ainda passa pelo capacitor que oferece resistência nula para uma mudança brusca de tensão. Daí ao alimentar todo o circuito, um pulso é gerado naquele resistor que passa pelo capacitor fazendo polarizar intensamente o transistor Q3 que por sua vez polariza fortemente o transistor Q2 de potência.

 

Só este efeito já faz o transistor Q2 que é de potência, gerar um tipo de pulso de 12V.

Isso faz a corrente subir no indutor.

 

Uma vez que a tensão de saída de 5V abaixa alguns milivolts e o zener deixa de conduzir, o processo de reinicia. 

Ou então se a a carga for muito alta a ponto da tensão de saída for forçada a cair e o zener não for usado, é o resistor R5 de 0.18R que vai fazer o processo de polarizar Q1 que por sua vez irá despolarizar Q3 que por sua vez irá despolarizar o transistor de potência Q2.

 

Este processo fica oscilatório indefinidamente enquanto houver alimentação. 

 

 

adicionado 13 minutos depois

O senhor está esquecendo de incluir o indutor na equação: 

É o indutor que gera uma rampa de corrente, responsável pela despolarização instantânea transistor de potência quando a corrente atinge o valor nominal. Mas estramos nos referindo de corrente pulso a pulso, oscilante em 100Khz, por exemplo. 

 

É o capacitor de entrada que ao atingir 5V, faz o zener acionar o transistor que despolariza instantaneamente o transistor de potência.

 

A instabilidade que gera as oscilações está no fato que o circuito não funciona em média polarização.

Ou o transistor fica totalmente saturado, ou totalmente desligado.

Quando fica totalmente saturado, logo desliga, pois ou a tensão de saída ou a corrente atinge os valores nominais.

 

E ao que parece C2 dá algum tipo de adiantamento de corrente do sinal, de forma que o circuito permaneça desligado por um certo tempo. Matem algum tipo de histerese, o que evita do circuito entrar em modo linear. 

[Sérgio Lembo]

1 hora atrás, albert_emule disse:

E ao que parece C2 dá algum tipo de adiantamento de corrente do sinal, de forma que o circuito permaneça desligado por um certo tempo. Matem algum tipo de histerese, o que evita do circuito entrar em modo linear. 

É exatamente isso que estou pensando aqui. O funcionamento do circuito bulk conheço bem, o indutor combinado com o capacitor de saída impede que a tensão tenha picos no chaveamento de Q2 assim como tambem impede que a corrente de entrada tenha picos descontrolados, mas sem C2 com certeza entra em modo linear, com uma oscilação inicial provocada pelo indutor mas logo amortecida e anulada e que só retorna com variação de carga.

Na verdade, o que C2 faz é atrasar o tempo de resposta. Isso faz com que a saida ultrapasse o valor desejado, o que leva a base de Q1 comandar o desligamento total de Q3. Nesse estágio, mais uma vez temos a ação de C2 que retarda o comando de Q1 sobre Q3. E nesse ciclo repetitivo temos uma histerese, mas note que não se trata de uma histerese no domínio da tensão de saída, mas sim no domínio do tempo de resposta do amplificador de erro. O mais interessante é que o projetista conseguiu fazer tudo isso com um circuito simples e de baixo custo.

[albert_emule]

35 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

É exatamente isso que estou pensando aqui. O funcionamento do circuito bulk conheço bem, o indutor combinado com o capacitor de saída impede que a tensão tenha picos no chaveamento de Q2 assim como tambem impede que a corrente de entrada tenha picos descontrolados, mas sem C2 com certeza entra em modo linear, com uma oscilação inicial provocada pelo indutor mas logo amortecida e anulada e que só retorna com variação de carga.

Na verdade, o que C2 faz é atrasar o tempo de resposta. Isso faz com que a saida ultrapasse o valor desejado, o que leva a base de Q1 comandar o desligamento total de Q3. Nesse estágio, mais uma vez temos a ação de C2 que retarda o comando de Q1 sobre Q3. E nesse ciclo repetitivo temos uma histerese, mas note que não se trata de uma histerese no domínio da tensão de saída, mas sim no domínio do tempo de resposta do amplificador de erro. O mais interessante é que o projetista conseguiu fazer tudo isso com um circuito simples e de baixo custo.

 

Eu tenho a placa.

Irei simular e fazer as comparações com o circuito real.  

 

E também vou ver a corrente neste capacitor em relação aos pulsos dos transistores 

[Sérgio Lembo]

@albert_emule, uma ideia meio doida me passou agora. Comparado com os circuitos de fonte linear, desses usados em fonte de bancada, o que diferencia é:

- indutor entre o transistor de saida e o capacitor de saida.

- Capacitor de saida grande

- diodo freewell

- circuito RC fazendo atraso de resposta.

O resto é bem igual. Só faltou o potenciometro para variar a tensão.

Se implantado, não teríamos nossas fontes de bancada funcionando sem ferver tanto o transistor de saida?

[albert_emule]

2 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

@albert_emule, uma ideia meio doida me passou agora. Comparado com os circuitos de fonte linear, desses usados em fonte de bancada, o que diferencia é:

- indutor entre o transistor de saida e o capacitor de saida.

- Capacitor de saida grande

- diodo freewell

- circuito RC fazendo atraso de resposta.

O resto é bem igual. Só faltou o potenciometro para variar a tensão.

Se implantado, não teríamos nossas fontes de bancada funcionando sem ferver tanto o transistor de saida?

Seria uma boa experiência a se fazer.

 

Mas lembrando que as fontes de bancada são lineares para evitar ruídos. 

Eu já dei uma olhada numa fonte de bancada Rigol de 800 dólares. Só falta falar.

Possui 300 watts de potência mais é completamente linear, apesar dos controles serem totalmente digitais. 

[Sérgio Lembo]

Mas todas as fontes atuais são chaveadas. Se quiser uma saída tão limpa seria o caso de se fazer com 2 estágios? A primeira chaveada, com uns 2V a mais que a saida e um segundo linear com máximo de 2V de queda para limpar a saída? Nas fontes de bancada, se a saida for de 30% da máxima, vai ser quase 3W fritando no transistor para cada watt utilizado.

 

[albert_emule]

51 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Mas todas as fontes atuais são chaveadas. Se quiser uma saída tão limpa seria o caso de se fazer com 2 estágios? A primeira chaveada, com uns 2V a mais que a saida e um segundo linear com máximo de 2V de queda para limpar a saída? Nas fontes de bancada, se a saida for de 30% da máxima, vai ser quase 3W fritando no transistor para cada watt utilizado.

 

 

Essa da Riggol que andei estudando, usa vários degraus no transformador para manter a tensão de queda no transistor regulador dentro de certo limite.

adicionado 2 minutos depois

Eu gostei muito deste regulador Buck.

É até possível aumentar um pouco a potência.

Talvez usar um TIP42C para chavear correntes maiores. 

[Sérgio Lembo]

Acaba sendo de 2 estágios. Apenas que o primeiro é manual por chave seletora.

adicionado 1 minuto depois

US$ 800? Caciiiiiiilda! Vou passar a produzir isso.

[Renato.88]

Pelo que entendi desse circuito do primeiro post ele oscila porque Q1, D2 e aqueles resistores em volta formam um Schmidt trigger, só cortam Q2 quando a tensão passa de 5V. L1 e os outros capacitores estão ali pra dar uma força, uma otimizada no circuito. 

[albert_emule]

11 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

Acaba sendo de 2 estágios. Apenas que o primeiro é manual por chave seletora.

adicionado 1 minuto depois

US$ 800? Caciiiiiiilda! Vou passar a produzir isso.

https://pt.aliexpress.com/item/Free-Shipping-Rigol-DP832-Programmable-Linear-DC-Power-Supply-3-Channels/32695075858.html?spm=2114.02010208.8.4.WiSI7J

 

 

Já está pela metade do preço 

[albert_emule]

 

Tensão pulsada na entrada do indutor no circuito simulado: 

 

 

Tensão pulsada na entrada do indutor no circuito real: 

 

 

Tensão em cima dos polos do capacitor C2 no circuito simulado:

 

 

Tensão em cima dos polos do capacitor C2 no circuito real: 

 

 

 

Como eu já consegui provar que o circuito simulado está funcionando de forma bem semelhante ao circuito real, a partir daqui eu analisarei o restante dos parâmetros através do circuito simulado. 

 

 

adicionado 10 minutos depois

Em vermelho a corrente no indutor:

Em verde a corrente no capacitor C2

Em azul tensão pulsada na entrada do indutor 

 

[Sérgio Lembo]

Grande @albert_emule, essas imagens confirmam a importância de C2 no processo de chaveamento. A instabilidade sincronizada com o chaveamento provoca a alta frequencia enquanto a tensão nos níveis que são regulados pelo zener estiverem no padrão desejado. O tamanho dessa instabilidade é grande o bastante para que o transistor de saída esteja sempre nos extremos de corte/saturação. Notem os saltos que a corrente de C2 dá sempre que o indutor passa de chaveado para aberto e os efeitos que isso acaba provocando na base de Q1. Uma verdadeira realimentação positiva que impede que o circuito trabalhe em modo linear.

[albert_emule]

12 minutos atrás, Sérgio Lembo disse:

Grande @albert_emule, essas imagens confirmam a importância de C2 no processo de chaveamento. A instabilidade sincronizada com o chaveamento provoca a alta frequencia enquanto a tensão nos níveis que são regulados pelo zener estiverem no padrão desejado. O tamanho dessa instabilidade é grande o bastante para que o transistor de saída esteja sempre nos extremos de corte/saturação. Notem os saltos que a corrente de C2 dá sempre que o indutor passa de chaveado para aberto e os efeitos que isso acaba provocando na base de Q1. Uma verdadeira realimentação positiva que impede que o circuito trabalhe em modo linear.

 

Outra coisa interessante:

Os números do componentes podem está diferente neste esquema, pois tive que montar o esquema novamente para simular. 

Então vou citar os números atuais para TR, para R, para indutor...

 

Em vermelho a tensão pulsante na entrada do indutor;

Em azul a corrente em C2

Em verde a tensão na base de Q2 (Antigo Q1 no esquema anterior).

Mas observe que na hora que o capacitor C2 descarrega (Bruscamente, diga-se de passagem), a tensão na base de Q2 até fica negativa. É neste momento que o R1 consegue cortar totalmente o transistor de potência Q3.

 

Agora estou tentando entender como a tensão na base de Q2 (Q1 do primeiro esquema que postei) fica negativa.

 

[albert_emule]

como esta tensão na base fica negativa? 

Ainda não consegue compreender.

O resultado é o mesmo no circuito real, pois fui lá conferir

 

 

[Sérgio Lembo]

Seja bem vindo ao mundo das fontes chaveadas. Como tenho dito a alguns posts, a importância de C2 é fundamental nesse processo de chaveamento

4 horas atrás, albert_emule disse:

Editado 4 horas por albert_emule

 

4 horas atrás, albert_emule disse:

Em vermelho a corrente no indutor:

Em verde a corrente no capacitor C2

Em azul tensão pulsada na entrada do indutor 

Acompanhando a corrente do indutor, note o tanto que a tensão na entrada do indutor cai quando o transistor é cortado. Quando a tensão cai, a tensão na parte de cima do capacitor cai junto e a de baixo acompanha, o que acabe promovendo um corte brusco na condução de Q2. E aí fica a questão: quem nasceu primeiro: o ovo ou a galinha? Afinal de contas a reação sobre C2 depende do corte, primeiro é necessário que haja o corte para depois haver a reação que faz a tensão na base ficar negativa e promover o corte. A primeira impressão é que o futuro comanda o passado. É aí que reside a mágica da realimentação positiva. O que aparece no gráfico como sendo algo instantâneo na verdade tem seu tempo, e é nesse curtíssimo tempo em que o mágico faz sua arte. Quando a tensão de saída fica discretamente acima da tensão regulada pelo zener, há um discretíssimo aumento na corrente sobre a base de Q2, que é o nosso  regulador de tensão. Essa discreta variação é amplificada pelo ganho de Q2 e resulta numa menor polarização de Q1. A menor polarização de Q1 faz com que Q3 fique menos excitado e entregue menos corrente para o indutor. O indutor não gosta de variação de corrente, vai buscar em C2 a corrente que Q3 está negando e faz isso abaixando um pouco a tensão. Com a tensão na cabeça de C2 sendo rebaixada, o pé dele rebaixa também, acentuando o efeito iniciado pelo regulador Q2. Isso faz com que Q1 fique menos excitado ainda, fazendo com que Q3 despolarize mais ainda, entregando menos corrente ainda ao indutor, que desesperado para manter a corrente constante avança mais ainda no capacitor. A velocidade desse processo é determinada pelas capacitâncias parasitas de Q1 e Q3. Quanto menores forem mais rápido o processo fica.

[albert_emule]

Realmente. Um circuito simples e bem bolado. 

 

 

[Sérgio Lembo]

Complementando o texto, todo o processo acima descrito ocorre em poucos nanosegundos, dando a impressão de uma reta vertical e instantânea. Instantâniedade em eletrônica é o mesmo que Papai Noel. Só os iniciantes e infantes é que acreditam nisso.