Convertidor Buck DC/DC

Los convertidores reductores generan un voltaje de salida de CC que es menor que la entrada de CC. En otras palabras, abrochar o disminuir el voltaje de alimentación. Los reguladores lineales de uso común reducen el voltaje al disipar la energía en forma de calor en una resistencia, que se vuelve muy ineficiente con grandes diferencias entre los voltajes de entrada y salida. Mientras que los componentes resistivos desperdician energía a través del calentamiento en julio, los convertidores reductores utilizan componentes reactivos que idealmente no disipan energía y, en consecuencia, pueden disminuir el voltaje de manera eficiente con un aumento correspondiente en la corriente disponible. En el convertidor reductor, un interruptor atrapa el suministro de CC para crear la entrada de CA a un filtro de paso bajo. El filtro de paso bajo consta de un inductor y un condensador y extrae el voltaje promedio con solo pequeñas pérdidas debidas a resistencias parásitas. El resultado es un voltaje de salida menor o igual que el voltaje de entrada. Este video ilustrará la construcción de un convertidor reductor e investigará cómo el cambio de las condiciones de funcionamiento de los convertidores afecta su voltaje de salida.

Este circuito convertidor reductor utiliza un interruptor electrónico para conectar y desconectar un inductor de la fuente de alimentación de CC. Este interruptor puede ser un transistor bipolar, un MOSFET u otro dispositivo electrónico similar. El inductor y un condensador forman un filtro de paso bajo con un diodo para proporcionar una ruta para la corriente del inductor cuando el interruptor está abierto. La salida del filtro de paso bajo está conectada a la carga. Un tren de impulsos digital abre o cierra el interruptor con una relación de trabajo, D, que es la relación entre el tiempo de encendido y el período. Cuando el interruptor está cerrado, la entrada al filtro de paso bajo se conecta al voltaje de alimentación, V in. El diodo se polariza inversamente y no conduce y la corriente fluye a través del inductor. Cuando el interruptor está abierto, esta corriente del inductor debe continuar en la misma dirección y el diodo se polariza hacia adelante para formar un bucle de corriente completo. En la entrada del filtro de paso bajo, esta conmutación del interruptor produce una onda rectangular que oscila entre V y aproximadamente cero voltios. Excepto por alguna ondulación, la salida del filtro es el promedio de la onda rectangular, que aumenta a medida que aumenta la relación de trabajo. A frecuencias de conmutación suficientemente altas, los tiempos de carga y descarga de los condensadores son cortos. Por lo tanto, la ondulación de voltaje se vuelve pequeña y el resultado es una salida de CC limpia reducida de la entrada de CC. Debido a que el inductor y el condensador son componentes reactivos, idealmente no tienen pérdida de potencia resistiva. El filtro LC ideal es capaz de pasar la energía a la carga con una eficiencia del 100%. En realidad, la resistencia del cable del inductor y otras resistencias parásitas en el circuito, reducen la eficiencia en el rango del 80 al 95%. Ahora que se han discutido los conceptos básicos del convertidor reductor, echemos un vistazo a cómo un convertidor reductor reduce el voltaje y continúa como modo de conducción, también llamado CCM, una condición cuando el inductor funciona en todo momento con corriente distinta de cero.

Estos experimentos utilizan la placa de postes de alimentación de HiRel Systems, que está diseñada para la experimentación con varias topologías de circuitos de convertidor de CC a CC. Comience asegurándose de que el interruptor de suministro de señal, S90, esté apagado. A continuación, conecte la alimentación de señal en el conector DIN J90. Coloque los puentes de selección de control PWM, J62 y J63 en la posición de bucle abierto. Ajuste la fuente de alimentación de CC a 24 voltios positivos, pero no conecte la salida de la fuente de alimentación a la placa. Construya el circuito con el MOSFET superior, el diodo inferior y la placa magnética BB. Registre el valor del inductor en la pizarra magnética BB. La resistencia de carga RL es un potenciómetro de potencia. Use un multímetro para leer su resistencia mientras la ajusta a 12 ohmios. A continuación, conecte la resistencia de carga entre los terminales V2+ y COM. Ajuste el banco selector de interruptores S30 de la siguiente manera. PWM a MOSFET superior, use PWM integrado y apague la carga. A continuación, conecte la sonda diferencial de los osciloscopios entre el terminal 15, que es la puerta del MOSFET superior y el terminal 11, que es la fuente. Encienda el interruptor de suministro de señal, S90 y observe el tren de pulsos que impulsa el MOSFET. Configure el potenciómetro de ajuste de frecuencia, RV60 para producir una frecuencia de conmutación de 100 kilohercios. Ajuste el potenciómetro de relación de trabajo, RV63 para que los pulsos tengan un tiempo de encendido de cinco microsegundos.

Mantenga la sonda de alcance diferencial conectada entre los terminales 15 y 11, que son la puerta y la fuente del MOSFET superior respectivamente. Para medir el voltaje a través de la resistencia de carga, RL, conecte la otra sonda diferencial entre los terminales V2+ y COM. Conecte la fuente de alimentación de CC a los terminales de entrada, V1+ y COM. Observe la forma de onda triangular para el voltaje de salida y el tren de pulsos rectangular de la señal de conmutación. Las rampas ascendentes del voltaje de salida ocurren cuando el interruptor del convertidor reductor está cerrado y el inductor está transfiriendo energía al condensador y la carga. Las rampas descendentes ocurren cuando el interruptor está abierto, el inductor está desconectado de la fuente de voltaje de entrada y el condensador está cediendo parte de la energía almacenada a la carga. A continuación, mida el valor medio del voltaje de salida y el tiempo de encendido del voltaje de la fuente de compuerta. Anote las lecturas de corriente y voltaje de entrada de la fuente de alimentación de CC. Repita esta prueba después de ajustar el potenciómetro de relación de trabajo, RV64, de modo que el tren de pulsos tenga relaciones de trabajo de 0.4, 0.6 y 0.7. A medida que aumenta la relación de trabajo D, también aumenta el voltaje de salida promedio del convertidor reductor. Idealmente, si D tiene un valor de 0,3, entonces una entrada de 24 voltios genera una salida de aproximadamente 7,2 voltios. Del mismo modo, si D es 0,5, entonces la salida sería de unos 12 voltios o si D es de 0,7, entonces la salida sería de unos 16,8 voltios y así sucesivamente.

Ajuste la relación de trabajo a 0,5 y, a continuación, conecte el suministro de CC de entrada a los terminales V1+ y COM. Ajuste RV60 para producir una frecuencia de conmutación de 100 kilohercios. Al igual que antes, la forma de onda del voltaje de salida es una onda triangular resultante del filtro de paso bajo que actúa sobre la entrada de onda rectangular. El voltaje de la fuente de puerta es un tren de pulsos digital con una frecuencia de 100 kilohercios. Un período de 10 microsegundos y un tiempo de encendido de cinco microsegundos. Mida el valor medio del voltaje de salida y el tiempo de encendido del voltaje de la puerta a la fuente. Anote las lecturas de corriente y voltaje de entrada de la fuente de alimentación de CC. Repita esta prueba después de ajustar RV60 a una frecuencia de conmutación de 10, 20 y 40 kilohercios con la relación de trabajo fijada en 0,5. A medida que aumenta la frecuencia, la ondulación de salida disminuye porque los tiempos de carga y descarga del condensador también disminuyen. En general, el voltaje de salida en este experimento es menor de lo esperado de la relación ideal. Esta desviación es el resultado de elementos parásitos como la resistencia del cable en el inductor y otras resistencias en el circuito, que crean caídas de voltaje no ideales y pérdidas de energía no contabilizadas.

Los convertidores reductores proporcionan una regulación de voltaje bien controlada con un aumento de corriente que los acompaña, lo que los hace cruciales para aplicaciones relacionadas con una pérdida de potencia mínima en el proceso de conversión. El consumo de energía en las computadoras portátiles ha disminuido en gran medida debido al desarrollo de microprocesadores que funcionan con solo 1,8 o 0,8 voltios. Las computadoras portátiles y los dispositivos controlados a distancia utilizan convertidores reductores para reducir el voltaje de las baterías de litio a estos valores bajos, lo que prolonga la vida útil de la batería y aumenta la corriente de la batería para satisfacer las necesidades de los circuitos integrados con millones de transistores. Los dispositivos electrónicos, como los teléfonos móviles, utilizan baterías de iones de litio con un voltaje nominal de celda, de unos 3,6 a 3,7 voltios. Sin embargo, los cargadores de batería estandarizados con conectores USB suministran cinco voltios. Un convertidor reductor en el dispositivo electrónico reduce la salida USB al voltaje más bajo requerido para cargar la batería de iones de litio.

Acabas de ver la introducción de Jove a los convertidores buck. Ahora debe comprender su funcionamiento y cómo la salida de CC depende de la relación de trabajo y la frecuencia de conmutación. Gracias por mirar.