Convertisseur abaisseur DC/DC

Les convertisseurs abaisseurs génèrent une tension de sortie CC inférieure à celle de l’entrée CC. En d’autres termes, il s’agit de réduire ou de diminuer la tension d’alimentation. Les régulateurs linéaires couramment utilisés abaissent la tension en dissipant la puissance sous forme de chaleur dans une résistance, ce qui devient très inefficace avec de grandes différences entre les tensions d’entrée et de sortie. Alors que les composants résistifs gaspillent de l’énergie par chauffage par effet Joule, les convertisseurs abaisseurs utilisent des composants réactifs qui ne dissipent idéalement aucune puissance et peuvent donc réduire efficacement la tension avec une augmentation correspondante du courant disponible. Dans le convertisseur abaisseur, un interrupteur piège l’alimentation CC pour créer l’entrée CA d’un filtre passe-bas. Le filtre passe-bas se compose d’une inductance et d’un condensateur et extrait la tension moyenne avec seulement de petites pertes dues aux résistances parasites. Le résultat est une tension de sortie inférieure ou égale à la tension d’entrée. Cette vidéo illustrera la construction d’un convertisseur abaisseur et étudiera comment la modification de l’état de fonctionnement des convertisseurs affecte sa tension de sortie.

Ce circuit de convertisseur abaisseur utilise un interrupteur électronique pour connecter et déconnecter une inductance de l’alimentation CC. Ce commutateur peut être un transistor bipolaire, un MOSFET ou un autre dispositif électronique similaire. L’inductance et un condensateur constituent un filtre passe-bas avec une diode pour fournir un chemin pour le courant d’inductance lorsque l’interrupteur est ouvert. La sortie du filtre passe-bas est connectée à la charge. Un train d’impulsions numérique ouvre ou ferme l’interrupteur avec un rapport de service, D, qui est le rapport entre le temps de marche et la période. Lorsque l’interrupteur est fermé, l’entrée du filtre passe-bas est connectée à la tension d’alimentation, V in. La diode devient polarisée en sens inverse et n’est pas conductrice et le courant circule à travers l’inductance. Lorsque l’interrupteur est ouvert, ce courant d’inductance doit continuer dans la même direction et la diode devient polarisée vers l’avant pour former une boucle de courant complète. À l’entrée du filtre passe-bas, cette commutation de commutation produit une onde rectangulaire qui oscille entre V et dans environ zéro volt. À l’exception de quelques ondulations, la sortie du filtre est la moyenne de l’onde rectangulaire, qui augmente à mesure que le rapport de service augmente. À des fréquences de commutation suffisamment élevées, les temps de charge et de décharge des condensateurs sont courts. Ainsi, l’ondulation de la tension devient faible et le résultat est une sortie CC propre abaissée de l’entrée CC. Étant donné que l’inductance et le condensateur sont des composants réactifs, ils n’ont idéalement aucune perte de puissance résistive. Le filtre LC idéal est alors capable de transmettre la puissance à la charge avec une efficacité de 100 %. En réalité, la résistance du fil de l’inductance et d’autres résistances parasites dans le circuit réduisent l’efficacité à l’ordre de 80 à 95 %. Maintenant que les bases du convertisseur abaisseur ont été abordées, voyons comment un convertisseur abaisseur de tension et continue en mode de conduction, également appelé CCM, une condition dans laquelle l’inductance fonctionne à tout moment avec un courant non nul.

Ces expériences utilisent la carte de poteau d’alimentation HiRel Systems qui est conçue pour l’expérimentation avec diverses topologies de circuits de convertisseur DC à DC. Commencez par vous assurer que le commutateur d’alimentation du signal, S90, est éteint. Branchez ensuite l’alimentation du signal dans le connecteur DIN J90. Réglez les cavaliers de sélection de commande PWM, J62 et J63 en position de boucle ouverte. Réglez l’alimentation CC à 24 volts positifs, mais ne connectez pas la sortie du bloc d’alimentation à la carte. Construisez le circuit avec le MOSFET supérieur, la diode inférieure et la carte magnétique BB. Enregistrez la valeur de l’inductance sur le tableau magnétique BB. La résistance de charge RL est un potentiomètre de puissance. Utilisez un multimètre pour lire sa résistance tout en l’ajustant à 12 ohms. Connectez ensuite la résistance de charge entre les bornes V2+ et COM. Réglez la banque de sélecteurs S30 comme suit. PWM vers le MOSFET supérieur, utilisez le PWM intégré et désactivez la charge. Ensuite, connectez la sonde différentielle de l’oscilloscope entre la borne 15, qui est la grille du MOSFET supérieur, et la borne 11, qui est la source. Allumez l’interrupteur d’alimentation du signal, S90 et observez le train d’impulsions qui entraîne le MOSFET. Réglez le potentiomètre de réglage de fréquence, RV60 pour produire une fréquence de commutation de 100 kilohertz. Réglez le potentiomètre de rapport de service, RV63, de sorte que les impulsions aient un temps de marche de cinq microsecondes.

Maintenez la sonde différentielle connectée entre les bornes 15 et 11, qui sont respectivement la grille et la source du MOSFET supérieur. Pour mesurer la tension aux bornes de la résistance de charge, RL, connectez l’autre sonde différentielle entre les bornes V2+ et COM. Connectez l’alimentation CC aux bornes d’entrée, V1+ et COM. Observez la forme d’onde triangulaire pour la tension de sortie et le train d’impulsions rectangulaire du signal de commutation. Les rampes ascendantes de la tension de sortie se produisent lorsque l’interrupteur du convertisseur abaisseur est fermé et que l’inductance transfère de l’énergie au condensateur et à la charge. Les rampes descendantes se produisent lorsque l’interrupteur est ouvert, que l’inductance est déconnectée de la source de tension d’entrée et que le condensateur cède une partie de l’énergie stockée à la charge. Ensuite, mesurez la valeur moyenne de la tension de sortie et le temps de marche de la tension de la source de grille. Notez les lectures de courant et de tension d’entrée de l’alimentation CC. Répétez ce test après avoir ajusté le potentiomètre de rapport de service, RV64 de sorte que le train d’impulsions ait des rapports de service de 0,4, 0,6 et 0,7. À mesure que le rapport de service D augmente, la tension de sortie moyenne du convertisseur abaisseur augmente également. Idéalement, si D a une valeur de 0,3, alors une entrée de 24 volts génère une sortie d’environ 7,2 volts. De même, si D est de 0,5, la sortie serait d’environ 12 volts ou si D est de 0,7, la sortie serait d’environ 16,8 volts et ainsi de suite.

Réglez le rapport de service sur 0,5, puis connectez l’alimentation CC d’entrée aux bornes V1+ et COM. Réglez RV60 pour produire une fréquence de commutation de 100 kilohertz. Comme précédemment, la forme d’onde de tension de sortie est une onde triangulaire résultant du filtre passe-bas agissant sur l’entrée d’onde rectangulaire. La tension de la source de grille est un train d’impulsions numériques d’une fréquence de 100 kilohertz. Une période de 10 microsecondes et un temps de marche de cinq microsecondes. Mesurez la valeur moyenne de la tension de sortie et le temps de fonctionnement de la tension entre la grille et la source. Notez les lectures de courant et de tension d’entrée de l’alimentation CC. Répétez cet essai après avoir réglé le RV60 sur une fréquence de commutation de 10, 20 et 40 kilohertz avec un rapport de service fixé à 0,5. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, l’ondulation de sortie diminue car les temps de charge et de décharge du condensateur diminuent également. En général, la tension de sortie est dans cette expérience sont inférieures à ce que l’on attend de la relation idéale. Cette déviation est le résultat d’éléments parasites tels que la résistance du fil dans l’inductance et d’autres résistances dans le circuit, qui créent des chutes de tension non idéales et des pertes d’énergie non comptabilisées.

Les convertisseurs abaisseurs fournissent une régulation de tension bien contrôlée avec une augmentation du courant qui les accompagne, ce qui les rend cruciaux pour les applications préoccupées par une perte de puissance minimale dans le processus de conversion. La consommation d’énergie des ordinateurs portables a considérablement diminué en raison du développement de microprocesseurs qui ne fonctionnent qu’avec 1,8 ou 0,8 volts. Les ordinateurs portables et les appareils télécommandés utilisent des convertisseurs abaisseurs pour réduire la tension des batteries au lithium à ces faibles valeurs, prolongeant ainsi la durée de vie utile de la batterie et augmentant le courant de la batterie pour répondre aux besoins des circuits intégrés avec des millions de transistors. Les appareils électroniques tels que les téléphones portables utilisent des batteries lithium-ion avec une tension nominale d’environ 3,6 à 3,7 volts. Cependant, les chargeurs de batterie standardisés avec les connecteurs USB fournissent cinq volts. Un convertisseur abaisseur dans l’appareil électronique abaisse la sortie USB à la tension inférieure requise pour charger la batterie lithium-ion.

Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter aux convertisseurs de mâles. Vous devez maintenant comprendre leur fonctionnement et comment la sortie CC dépend du rapport de service et de la fréquence de commutation. Merci d’avoir regardé.