Convertitore boost (ad accumulo elevatore) DC-DC

I convertitori boost sono utilizzati in elettronica per generare una tensione di uscita CC maggiore dell'ingresso CC, aumentando così la tensione di alimentazione. I convertitori boost sono spesso utilizzati negli alimentatori per LED bianchi, nei pacchi batteria per automobili elettriche e in molte altre applicazioni. Un convertitore boost immagazzina l'energia nel campo magnetico di un induttore e la trasferisce a un carico con un circuito di commutazione. Il trasferimento di energia dal campo magnetico dell'induttore consente l'aumento dell'uscita CC in un singolo stadio. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore boost e indagherà su come la modifica delle condizioni operative del convertitore influisca sulla sua tensione di uscita.

Questo semplice circuito convertitore boost è costituito da una sorgente di tensione CC in ingresso collegata a un induttore e a un interruttore. L'interruttore può essere un transistor bipolare, un MOSFET o un altro dispositivo elettronico simile che collega e scollega alternativamente l'induttore dalla linea comune dell'alimentatore. Un diodo di blocco collega l'induttore a un condensatore che filtra l'ondulazione nella tensione di uscita. Aumentando la capacità si diminuisce l'ondulazione. Per una capacità sufficientemente grande, l'uscita diventa una tensione CC costante. Un treno di impulsi digitali apre o chiude l'interruttore. L'impulso ha un rapporto di servizio che è il rapporto tra il tempo di accensione e il periodo. Il rapporto di servizio può variare da zero o aumentare fino a uno con sempre più tempo. Quando l'impulso è attivo, l'interruttore si chiude e l'induttore è collegato attraverso la tensione di alimentazione. In questo stato, il terminale dell'induttore collegato all'uscita dell'alimentatore ha il potenziale più alto e il terminale collegato al comune ha il potenziale più basso. Ora la corrente scorre attraverso l'induttore aumentando linearmente con il tempo per frequenze di commutazione sufficientemente elevate. Durante questo periodo la tensione dell'induttore è definita positiva perché la pendenza della corrente rispetto al tempo è positiva. L'induttore immagazzina energia proporzionale al quadrato della corrente nel suo campo magnetico. Più a lungo l'induttore è collegato all'alimentazione, maggiore è l'aumento di corrente e maggiore è l'energia immagazzinata. Quando l'interruttore si apre, la corrente attraverso l'induttore deve continuare a fluire nella stessa direzione. Questa corrente diminuisce anche perché l'induttore ora cede energia al carico. La tensione dell'induttore diventa negativa perché la pendenza della corrente rispetto al tempo è negativa. Di conseguenza, la polarità dell'induttore si inverte e ora si aggiunge alla tensione di ingresso "V in" producendo un potenziale più elevato in uscita. Il circuito in questo stato, polarizza in avanti il diodo e l'induttore scarica corrente, una parte va al carico e un'altra va al condensatore che quindi immagazzina la carica. Quando l'interruttore si richiude il diodo diventa polarizzato inversamente, scollegando l'induttore dall'uscita e impedendo un cortocircuito del carico. Durante questo periodo l'induttore si ricarica e al suo posto il condensatore fornisce corrente al carico. Questo ciclo di carica e scarica del condensatore produce una tensione di uscita media con una certa quantità di ondulazione. A frequenze di commutazione sufficientemente elevate, i tempi di carica e scarica del condensatore sono brevi e l'uscita raggiunge una tensione di stato stazionario con un'ondulazione relativamente bassa. Questo ciclo di commutazione si ripete all'infinito ed è la base del funzionamento del convertitore boost. Idealmente, la tensione di uscita media aumenta all'aumentare del rapporto di lavoro e un rapporto di servizio di uno genera una tensione infinita. Tuttavia, gli elementi parassiti e le resistenze nel convertitore boost limitano i valori utili di D ad un massimo di circa 0,7 o 0,8. Se D è sufficientemente grande, gli effetti parassiti dominano il funzionamento del circuito e la tensione di uscita diminuisce anche se D continua ad aumentare. Nei prossimi esperimenti studieremo come un convertitore boost aumenta la tensione in modalità di conduzione continua, chiamata anche CCM, una condizione in cui l'induttore funziona sempre con corrente diversa da zero.

La tensione di uscita in questo esperimento è limitata a 50 volt CC o meno. Utilizzare solo i cicli di lavoro, le frequenze, le tensioni di ingresso e i carichi specificati. Questi esperimenti utilizzano la scheda Power Pole Board di HiRel Systems, progettata per la sperimentazione con diverse topologie di circuiti di conversione da CC a CC. Con l'interruttore di alimentazione del segnale S90 disattivato, collegare l'alimentazione del segnale a +/- 12 volt al connettore den J90. Impostare i ponticelli di selezione del controllo PWM J62 e J63 sulla posizione di anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 10 volt positivi ma non collegare l'uscita dell'alimentatore alla scheda. Quindi costruisci il circuito come mostrato con il MOSFET inferiore, il diodo superiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore dell'induttore sulla lavagna magnetica BB. La resistenza di carico è un potenziometro di potenza. Usa un multimetro per misurare la sua resistenza regolandola a 20 ohm. Quindi collegare il potenziometro tra i morsetti V1+ e COM. Impostare il banco di selettori S30 come segue: PWM sul MOSFET inferiore, utilizzare PWM integrato e spegnere il carico. Collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il terminale 16, che è il gate del MOSFET inferiore, e il terminale 12, che è la sorgente. Accendere l'interruttore S90. Il treno di impulsi che guida il MOSFET dovrebbe apparire sullo schermo dell'oscilloscopio. Selezionare l'asse temporale dell'oscilloscopio per visualizzare diversi periodi di questa forma d'onda. Impostare il potenziometro di regolazione della frequenza RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Impostare il potenziometro RV64 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di accensione di un microsecondo, che corrisponde a un rapporto di servizio di 0,1.

Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso V2+ e COM. Per misurare la corrente dell'induttore, collegare la sonda differenziale tra i terminali CS5 e COM. Per misurare la tensione attraverso il resistore di carico RL, collegare l'altra sonda differenziale tra i terminali V1+ e COM. La tensione di uscita dovrebbe essere un'onda triangolare. Le rampe verso l'alto si verificano quando l'interruttore del convertitore boost è aperto e l'induttore trasferisce energia al carico. Le rampe discendenti si verificano quando l'interruttore è chiuso, l'induttore è scollegato dall'uscita e il condensatore fornisce energia al carico. La corrente dell'induttore è un'onda triangolare che aumenta linearmente durante il tempo di accensione del treno di impulsi, quindi diminuisce linearmente durante il tempo di spegnimento. L'offset è la corrente media. Utilizzando le funzioni di misurazione integrate nell'oscilloscopio, misurare il valore medio della tensione di uscita e il valore medio della corrente dell'induttore. Ripetere questi passaggi con l'alimentazione CC in ingresso impostata su otto, 12 e 14 volt. Per un rapporto di lavoro fisso, all'aumentare della tensione di ingresso, la tensione di uscita di un convertitore boost ideale dovrebbe aumentare proporzionalmente.

Questa parte dell'esperimento misura il rapporto di servizio del treno di impulsi invece della corrente dell'induttore. Collegare le sonde dell'oscilloscopio tra i terminali 16 e 12, che sono rispettivamente il gate e la sorgente del MOSFET inferiore. Collegare l'alimentatore CC in ingresso ai morsetti V2+ e COM. Come in precedenza, la tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dall'induttore e dal condensatore che forniscono alternativamente corrente al carico. La tensione di gate source del MOSFET è un treno di impulsi digitali con una frequenza di 100 kilohertz, un periodo di 10 microsecondi e un tempo di accensione di un microsecondo. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di accensione della tensione da gate a source insieme alla corrente di ingresso e alle letture della tensione dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato il potenziometro RV64 del rapporto di servizio in modo che il flusso di impulsi abbia un tempo di accensione di due, quattro e sei microsecondi, che corrispondono rispettivamente a rapporti di servizio di 0,2, 0,4 e 0,6.

All'aumentare del rapporto di lavoro D, aumenta anche la tensione di uscita del convertitore boost. Idealmente, se D ha un valore di 0,2, un ingresso di 10 volt genera un'uscita di circa 12,5 volt. Se D è 0,4, l'uscita sarebbe di circa 16,6 volt. Se D è 0,6, l'uscita sarebbe di circa 25 volt. In generale, la tensione di uscita è inferiore a quella prevista dalla relazione ideale perché gli elementi parassiti creano cadute di tensione non ideali e perdite di energia non contabilizzate. Quando il rapporto di lavoro si avvicina a uno, la tensione di uscita teorica diventa infinitamente grande. In realtà, la tensione di uscita è limitata a circa tre o quattro volte la tensione di ingresso e l'influenza di componenti parassiti e non ideali fa sì che la tensione di uscita diminuisca dopo che D diventa sufficientemente alta.

I convertitori boost generano una tensione di uscita maggiore della tensione di ingresso e molte applicazioni li incorporano per aumentare la flessibilità nella scelta delle fonti di alimentazione. La tensione di un pannello solare cambia in base alla posizione del sole, alle condizioni meteorologiche e all'ombra. I convertitori boost sono comunemente usati per aumentare l'uscita variabile di un array di pannelli solari per fornire una tensione costante da immettere in una rete elettrica. I sistemi alimentati a batteria sono spesso utilizzati per alimentare dispositivi senza l'uso di un cavo di alimentazione. Per ottenere la tensione di uscita più elevata necessaria, le celle della batteria sono spesso impilate. Questo può occupare molto spazio se sono necessarie molte celle per raggiungere l'output desiderato. Invece, i convertitori boost vengono utilizzati per aumentare la tensione risparmiando spazio.

Hai appena visto l'introduzione di Giove ai convertitori boost. A questo punto dovresti capire come funzionano i convertitori boost e come la regolazione della tensione di ingresso, del rapporto di lavoro e della frequenza influisce sulla tensione di uscita. Grazie per l'attenzione.