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Análise do regulador de tensão LM2596 Step-Down 3A

Nesta aplicação, investigaremos o circuito integrado Texas Instruments LM2596, que consiste em um regulador de tensão chaveado com frequência do oscilador interno de 150kHz, tensão de saída fixa em 5V e corrente nominal de 3A, por meio de uma simples PCB que possui um diodo SS34 na entrada para impedir tensões de entrada negativas, um capacitor eletrolítico de 220uF como filtro na entrada, um potenciômetro para definição da tensão de saída, um indutor de 33uH e, no sinal de saída, outro capacitor eletrolítico de 220uF e um capacitor SMD cerâmico de 10uF.

Regulador de tensão chaveado step-down

Um regulador chaveado step-down (buck) é um regulador não linear que transforma um sinal DC de um valor de tensão DC para outro valor de tensão DC inferior ao da entrada por meio da comutação/chaveamento de um sinal e armazenamento temporário de energia por meio de um indutor ou capacitor.

A eficiência dessa conversão chaveada é usualmente superior à obtida por meio de reguladores lineares, mas o sinal de saída pode apresentar maiores valores de sinais harmônicos, que demandam filtros mais complexos e caros e que podem não ser apropriados em aplicações de RF ou instrumentação.

Nesta aplicação, o regulador LM2596 é analisado por meio de uma carga eletrônica DC Array 3722A, uma fonte de tensão programável Rigol DP831A, que aplica o sinal DC de entrada ao conversor, e um aplicativo de controle de instrumentação desenvolvido em LabVIEW.

Tensão de Saída versus Tensão de Entrada

O dispositivo é configurado com tensão de saída de 5V (valor sem carga) e o software é programado para executar a variação da corrente de carga (100mA até 1000mA) em sete passos e a variação da tensão de entrada entre 0V a 25V em cerca de 75 passos com tempo de estabilização de dois segundos entre cada passo.

No gráfico abaixo, visualizamos a tensão de saída do conversor versus a tensão de entrada da fonte e percebemos que a regulação é satisfatória a partir de 6V (a tensão de dropout em 1A varia de 0,8V a 1,0V conforme o datasheet do circuito integrado), valor a partir do qual a tensão de saída é praticamente constante até a tensão máxima aplicada:

tensao carga

tensao carga

Potência de saída versus tensão de entrada

Outro parâmetro importante é a potência de saída e sua variação com a tensão de entrada. Ressaltamos que o dispositivo é capaz de fornecer até 3 A de corrente de saída e, portanto, cerca de 15W com a tensão de saída configurada em 5V.

Uma vez que a carga aplicada ao conversor é uma carga eletrônica DC configurada em corrente constante, obtemos um gráfico equivalente ao anterior, com uma curva a partir da tensão de entrada de 6V e crescimento linear entre 2V a 6V:

potencia carga

potencia carga

Corrente de carga versus tensão de saída

Por meio do gráfico da corrente de saída versus a tensão de saída, é possível verificar que de fato a carga DC está variando a corrente nominal exatamente conforme esperado:

corrente carga

corrente carga

Eficiência do conversor

Por meio do gráfico abaixo, analisamos a variação da eficiência do conversor (incluindo perdas nos elementos externos ao circuito integrado como capacitores e o indutor) com a variação da tensão de entrada (0V até 25V) e da própria carga (corrente fixa de 100mA até 1000mA):

eficiencia2

eficiencia2

Portanto, verificamos que de fato o circuito integrado cumpre com as especificações técnicas apresentadas em seu datasheet, que informa uma eficiência típica de 75% a 82,5%.

Radiação eletromagnética

É importante nos conscientizarmos que um dos pontos negativos de reguladores chaveados é a geração de sinais harmônicos presentes no sinal de saída (sinal conduzido) e a geração de radiação eletromagnética seja no próprio circuito integrado ou indutor externo em função do rápido chaveamento de sinais elétricos. A seguir, utilizamos um kit de pontas de prova de RF para campos próximos (near field) e um analisador de espectro para analisarmos esse fenômeno com o traço amarelo definido para acumular os valores máximos ao longo do tempo.

Com a ponta sob a placa PCB energizada, mas sem corrente de saída e o traço configurado para analisar os valores máximos, obtemos o seguinte conteúdo espectral. Perceba que o pico próximo à frequência de 900MHz se refere a outras fontes de radiação eletromagnética uma vez que não executamos o experimento em uma câmara anecóica.

RF semCorrente

RF semCorrente

A seguir, energizamos o regulador de tensão e aplicamos uma carga de 640mA e percebemos a emissão de ruídos eletromagnéticos significativos até a frequência de 200MHz:

RF 640mA

RF 640mA

Ainda, aumentamos a corrente de carga para 910mA e percebemos que a frequência dos ruídos produzidos continuam relevantes até a frequência de 200MHz (houve alteração de escala do eixo X para aumentar a resolução do sinal):

RF 910mA

RF 910mA

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