Hogyan működnek a Buck konverterek

Az alábbi cikk átfogó know-how-t mutat be a buck konverterek működésével kapcsolatban.

Ahogy a neve is sugallja, a buck konvertert úgy tervezték, hogy szembeszálljon vagy korlátozzon egy bemeneti áramot, ami olyan kimenetet eredményezhet, amely jóval alacsonyabb lehet, mint a mellékelt bemenet.

Más szavakkal, visszalépő átalakítónak tekinthető, amely felhasználható a bemenő feszültségnél alacsonyabb számított feszültségek vagy áramok megszerzésére.

Tudjon meg többet a buck konverterek elektronikus áramkörökben a következő megbeszélésen keresztül:

A Buck Converter

Általában megtalálható az SMPS és MPPT áramkörökben használt buck konverter, amely kifejezetten előírja, hogy a kimeneti feszültséget jelentősen csökkenteni kell, mint a bemeneti forrás teljesítményét, anélkül, hogy befolyásolná vagy megváltoztatná a kimenő teljesítményt, vagyis a V x I értéket.

A tápforrás a konvertálóhoz áramforrásból vagy egyenáramú tápegységből származhat.

A buck konvertert csak azokra az alkalmazásokra használják, ahol a bemeneti áramforrás és a terhelés között nem feltétlenül szükséges elektromos leválasztás, azonban olyan alkalmazásoknál, ahol a bemenet hálózati szinten lehet, akkor általában egy flyback topológiát használnak egy leválasztó transzformátoron keresztül.

A buck átalakítóban kapcsolószerként használt fő eszköz lehet egy mosfet vagy egy power BJT (például 2N3055), amely úgy van konfigurálva, hogy integrált oszcillátor fokozaton keresztül gyors sebességgel kapcsoljon vagy oszcilláljon alapja vagy kapuja.

A buck konverter második fontos eleme az L induktor, amely a tranzisztorból származó villamos energiát tárolja bekapcsolt periódusai alatt, és felszabadítja azt kikapcsolt periódusai alatt, fenntartva a terhelés folyamatos táplálását a megadott szinten.

Ezt a szakaszt nevezik még 'Lendkerék' szakasza, mivel működése mechanikus lendkerékre hasonlít, amely külső forrásból származó rendszeres lökések segítségével képes folyamatos és egyenletes forgást fenntartani.

Bemeneti AC vagy DC?

A buck konverter alapvetően egyenáramú egyenáramú átalakító áramkör, amelyet arra terveztek, hogy tápellátást szerezzen egy egyenáramú forrásból, amely lehet elem vagy napelem. Ez történhet a váltakozó áramú és az egyenáramú adapter kimenetétől is, amelyet hidas egyenirányító és szűrőkondenzátor révén lehet elérni.

Függetlenül attól, hogy mi lehet a bemeneti egyenáram forrása a Buck átalakítóhoz, ezt egy chopper oszcillátor áramkör és egy PWM fokozat mellett mindig nagy frekvenciává alakítják.

Ezt a frekvenciát ezután a kapcsolóeszközbe táplálják a szükséges buck konverter műveletekhez.

Buck Converter művelet

Amint a fenti szakaszban tárgyaltuk a buck konverter működését, és amint az a következő ábrán látható, a buck átalakító áramkör tartalmaz egy kapcsoló tranzisztort és egy kapcsolódó lendkerék áramkört, amely tartalmazza a D1 diódát, az L1 induktivitást és a C1 kondenzátort.

Azokban az időszakokban, amikor a tranzisztor be van kapcsolva, a teljesítmény először a tranzisztoron, majd az L1 induktoron és végül a terhelésen halad át. Ennek során az induktor a benne rejlő tulajdonság miatt az energia hirtelen tárolásával próbál ellenállni az áram hirtelen bevezetésének.

Ez az L1 ellentét gátolja az alkalmazott bemenet áramát, hogy elérje a terhelést és elérje a kezdeti kapcsolási pillanatok csúcsértékét.

Időközben azonban a tranzisztor kikapcsolási fázisába lép, megszakítva az induktor bemenetét.

A tápellátás kikapcsolt állapotában az L1 ismét hirtelen áramváltozással néz szembe, és a változás ellensúlyozására kiöblíti a tárolt energiát a csatlakoztatott terhelésen keresztül

Tranzisztor bekapcsolási periódus

A fenti ábrára hivatkozva, miközben a tranzisztor a bekapcsolási fázisban van, ez lehetővé teszi az áram elérését a terhelésig, de a bekapcsolás kezdeti pillanataiban az áram erősen korlátozott, mivel az induktorok ellenzik a áramlat rajta keresztül.

Ugyanakkor a folyamat során az induktor reagál és kompenzálja a viselkedést azáltal, hogy tárolja benne az áramot, és közben a tápellátás bizonyos része eljuthat a terheléshez, és a C1 kondenzátorhoz is, amely szintén tárolja benne az áramellátás megengedett részét. .

Figyelembe kell venni azt is, hogy bár a fentiek megtörténnek, a D1 katód teljes pozitív potenciált tapasztal, ami hátráltatja az irányt, ami lehetetlenné teszi, hogy az L1 tárolt energiája a terhelésen keresztül visszatérjen a terhelésen. Ez a helyzet lehetővé teszi az induktor számára, hogy szivárgás nélkül folyamatosan tárolja benne az energiát.

Tranzisztor kikapcsolási periódus

Most a fenti ábrára hivatkozva, amikor a tranzisztor visszaállítja kapcsolási műveletét, vagyis amint kikapcsol, az L1-et ismét hirtelen áramhiánnyal vezetik be, amelyre a tárolt energiának a terhelés felé történő felszabadításával reagál. ekvivalens potenciálkülönbség formájában.

Most, hogy a T1 kikapcsolt állapotban van, a D1 katódja mentesül a pozitív potenciál alól, és egy előreinduló feltétel segítségével engedélyezi.

A D1 előre torzított állapota miatt a felszabadult L1 energia vagy az L1 által rúgott hátsó EMF lehetővé teszi a ciklus befejezését a D1 terhelésen keresztül és vissza az L1 felé.

Amíg a folyamat befejeződik, az L1 energia exponenciális csökkenésen megy keresztül a terhelés fogyasztása miatt. A C1 most megmenti és segíti vagy segíti az L1 EMF-et azzal, hogy hozzáadja a saját tárolt áramát a terheléshez, ezáltal biztosítva a terhelésnek ésszerűen stabil pillanatnyi feszültségét ... addig, amíg a tranzisztor újra bekapcsol, hogy frissítse a ciklust.

Az egész eljárás lehetővé teszi a kívánt buck konverter alkalmazás végrehajtását, ahol a tápfeszültségnek és az áramnak csak a számított része engedélyezett a terheléshez, a bemeneti forrásból származó viszonylag nagyobb csúcsfeszültség helyett.

Ez egy kisebb hullámhullám formájában látható a bemeneti forrás hatalmas négyzethullámai helyett.

A fenti szakaszban megtudtuk, hogy pontosan hogyan működnek a buck konverterek, a következő beszélgetésben pedig mélyebben elmélyülünk, és megtanuljuk a buck konverterekkel kapcsolatos különféle paraméterek meghatározásának megfelelő képletét.

Képlet a Buck feszültség kiszámításához egy Buck Converter áramkörben

A fenti döntés alapján arra következtethetünk, hogy az L1-en belül tárolt maximális áram a tranzisztor ON idejétől függ, vagy az L1 hátsó EMF-je méretezhető az L ON és OFF idejének megfelelő méretezésével, ez azt is jelenti, hogy a kimenet A feszültség egy átalakítóban előre meghatározható a T1 ON idejének kiszámításával.

A buck átalakító kimenetének kifejezésére szolgáló képlet az alábbi összefüggésben tanúskodhat:

V (ki) = {V (be) x t (BE)} / T

ahol V (in) a forrásfeszültség, t (ON) a tranzisztor ON ideje,

és T a „periodikus idő” vagy a PWM egy teljes ciklusának időszaka, vagyis az az idő, amely egy teljes ON idő és egy teljes OFF idő teljesítéséhez szükséges.

Megoldott példa:

Próbáljuk megérteni a fenti képletet egy megoldott példával:

Tegyük fel, hogy egy buck konvertert V (in) = 24V-vel működtetünk

T = 2ms + 2ms (BE idő + KI idő)

t (BE) = 1 ms

Ezeket a fenti képlettel helyettesítve kapjuk:

V (kimenet) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6 V

Ezért V (ki) = 6V

Most növeljük meg a tranzisztor idejét t (ON) = 1,5 ms értékkel

Ezért V (ki) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9 V

A fenti példákból elég egyértelművé válik, hogy egy buck konverterben a tranzisztor t (ON) kapcsolási ideje szabályozza a kimeneti feszültséget vagy a szükséges Buck feszültséget, így bármilyen 0 és V (in) közötti érték egyszerűen elérhető a A kapcsoló tranzisztor BE ideje.

Buck Converter negatív kellékekhez

Az általunk eddig tárgyalt buck konverter áramkört úgy tervezték, hogy megfeleljen a pozitív ellátási alkalmazásoknak, mivel a kimenet képes pozitív potenciált generálni a bemeneti testre vonatkoztatva.

Azonban azoknál az alkalmazásoknál, amelyek negatív ellátást igényelhetnek, a terv kissé módosítható és kompatibilis lehet az ilyen alkalmazásokkal.

A fenti ábra azt mutatja, hogy az induktor és a dióda helyzetének egyszerű cseréjével a buck konverter kimenete megfordítható vagy negatívvá tehető a rendelkezésre álló közös föld bemenethez képest.