Convertitore buck (riduttore) DC-DC

I convertitori buck generano una tensione di uscita CC inferiore all'ingresso CC. In altre parole, abbassando o diminuendo la tensione di alimentazione. I regolatori lineari comunemente usati riducono la tensione dissipando la potenza sotto forma di calore in un resistore, che diventa molto inefficiente con grandi differenze tra le tensioni di ingresso e di uscita. Mentre i componenti resistivi sprecano energia attraverso il riscaldamento joule, i convertitori buck utilizzano componenti reattivi che idealmente non dissipano energia e di conseguenza possono ridurre in modo efficiente la tensione con un corrispondente aumento della corrente disponibile. Nel convertitore buck, un interruttore intrappola l'alimentazione CC per creare l'ingresso CA a un filtro passa-basso. Il filtro passa basso è costituito da un induttore e da un condensatore ed estrae la tensione media con solo piccole perdite dovute a resistenze parassite. Il risultato è una tensione di uscita inferiore o uguale alla tensione di ingresso. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore buck e indagherà su come la modifica delle condizioni operative dei convertitori influisca sulla sua tensione di uscita.

Questo circuito convertitore buck utilizza un interruttore elettronico per collegare e scollegare un induttore dall'alimentazione c.c. Questo interruttore potrebbe essere un transistor bipolare, un MOSFET o un altro dispositivo elettronico simile. L'induttore e un condensatore costituiscono un filtro passa-basso con un diodo per fornire un percorso per la corrente dell'induttore quando l'interruttore è aperto. L'uscita del filtro passa-basso è collegata al carico. Un treno di impulsi digitali apre o chiude l'interruttore con un rapporto di servizio, D, che è il rapporto tra il tempo di accensione e il periodo. Quando l'interruttore è chiuso, l'ingresso al filtro passa-basso è collegato alla tensione di alimentazione, V in. Il diodo diventa polarizzato inversamente e non conduce e la corrente scorre attraverso l'induttore. Quando l'interruttore è aperto, questa corrente dell'induttore deve continuare nella stessa direzione e il diodo diventa polarizzato in avanti per formare un anello di corrente completo. All'ingresso del filtro passa-basso, questa commutazione dell'interruttore produce un'onda rettangolare che oscilla tra V in a circa zero volt. Fatta eccezione per un po' di ondulazione, l'uscita del filtro è la media dell'onda rettangolare, che aumenta all'aumentare del rapporto di lavoro. A frequenze di commutazione sufficientemente elevate, i tempi di carica e scarica dei condensatori sono brevi. Quindi l'ondulazione di tensione diventa piccola e il risultato è un'uscita CC pulita ridotta dall'ingresso CC. Poiché l'induttore e il condensatore sono componenti reattivi, idealmente non hanno alcuna perdita di potenza resistiva. Il filtro LC ideale è quindi in grado di trasferire l'energia al carico con un'efficienza del 100%. In realtà, la resistenza del filo dell'induttore e altre resistenze parassite nel circuito riducono l'efficienza nell'intervallo dall'80 al 95%. Ora che le basi del convertitore buck sono state discusse, diamo un'occhiata a come un convertitore buck riduce la tensione e continua come modalità di conduzione, chiamata anche CCM, una condizione in cui l'induttore funziona sempre con corrente diversa da zero.

Questi esperimenti utilizzano la scheda polare di potenza HiRel Systems, progettata per la sperimentazione con varie topologie di circuiti di conversione da CC a CC. Inizia assicurandoti che l'interruttore di alimentazione del segnale, S90 sia spento. Quindi collegare l'alimentazione del segnale al connettore DIN J90. Impostare i ponticelli di selezione del controllo PWM, J62 e J63 sulla posizione di anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 24 volt positivi ma non collegare l'uscita dell'alimentatore alla scheda. Costruisci il circuito con il MOSFET superiore, il diodo inferiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore dell'induttore sulla lavagna magnetica BB. La resistenza di carico RL è un potenziometro di potenza. Usa un multimetro per leggere la sua resistenza mentre la regoli a 12 ohm. Collegare quindi la resistenza di carico tra i morsetti V2+ e COM. Impostare il banco di selettori S30 come segue. PWM al MOSFET superiore, utilizzare il PWM integrato e il carico disattivato. Quindi, collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il terminale 15, che è il gate del MOSFET superiore, e il terminale 11, che è la sorgente. Accendere l'interruttore di alimentazione del segnale, S90 e osservare il treno di impulsi che aziona il MOSFET. Impostare il potenziometro di regolazione della frequenza RV60 in modo che produca una frequenza di commutazione di 100 kHzr. Impostare il potenziometro del rapporto di lavoro, RV63 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di accensione di cinque microsecondi.

Mantenere la sonda dell'oscilloscopio differenziale collegata tra i terminali 15 e 11, che sono rispettivamente il gate e la sorgente del MOSFET superiore. Per misurare la tensione attraverso il resistore di carico, RL, collegare l'altra sonda differenziale tra i terminali V2+ e COM. Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso, V1+ e COM. Osservare la forma d'onda triangolare per la tensione di uscita e il treno di impulsi rettangolare del segnale di commutazione. Le rampe verso l'alto della tensione di uscita si verificano quando l'interruttore del convertitore buck è chiuso e l'induttore trasferisce energia al condensatore e al carico. Le rampe verso il basso si verificano quando l'interruttore è aperto, l'induttore è scollegato dalla sorgente di tensione di ingresso e il condensatore cede parte dell'energia immagazzinata al carico. Quindi, misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di accensione della tensione della sorgente di gate. Annotare le letture della corrente e della tensione di ingresso dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato il potenziometro del rapporto di servizio, RV64 in modo che il treno di impulsi abbia rapporti di servizio di 0,4, 0,6 e 0,7. All'aumentare del rapporto di lavoro D, aumenta anche la tensione di uscita media del convertitore buck. Idealmente, se D ha un valore di 0,3, allora un ingresso di 24 volt genera un'uscita di circa 7,2 volt. Allo stesso modo, se D è 0,5, l'uscita sarebbe di circa 12 volt o se D è 0,7, l'uscita sarebbe di circa 16,8 volt e così via.

Impostare il rapporto di lavoro su 0,5 e quindi collegare l'alimentazione CC in ingresso ai morsetti V1+ e COM. Impostare RV60 in modo che produca una frequenza di commutazione di 100 kHzr. Come in precedenza, la forma d'onda della tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dal filtro passa-basso che agisce sull'ingresso dell'onda rettangolare. La tensione della sorgente di gate è un treno di impulsi digitale con una frequenza di 100 kilohertz. Un periodo di 10 microsecondi e un tempo di accensione di cinque microsecondi. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di attivazione della tensione dal gate alla sorgente. Annotare le letture della corrente e della tensione di ingresso dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato l'RV60 su una frequenza di commutazione di 10, 20 e 40 kHz con il rapporto di servizio fissato a 0,5. All'aumentare della frequenza, l'ondulazione di uscita diminuisce perché diminuiscono anche i tempi di carica e scarica del condensatore. In generale, la tensione di uscita in questo esperimento è inferiore a quella prevista dalla relazione ideale. Questa deviazione è il risultato di elementi parassiti come la resistenza del filo nell'induttore e altre resistenze nel circuito, che creano cadute di tensione non ideali e perdite di energia non contabilizzate.

I convertitori buck forniscono una regolazione della tensione ben controllata con un conseguente aumento della corrente, il che li rende cruciali per le applicazioni che richiedono una perdita di potenza minima nel processo di conversione. Il consumo energetico nei laptop è diminuito notevolmente a causa dello sviluppo di microprocessori che funzionano con soli 1,8 o 0,8 volt. I laptop e i dispositivi telecomandati utilizzano convertitori buck per ridurre la tensione delle batterie al litio a questi valori bassi, prolungando la durata utile della batteria e aumentando la corrente della batteria per soddisfare le esigenze dei circuiti integrati con milioni di transistor. I dispositivi elettronici come i telefoni cellulari utilizzano batterie agli ioni di litio con una tensione nominale delle celle, da 3,6 a 3,7 volt circa. Tuttavia, i caricabatterie standardizzati con connettori USB forniscono cinque volt. Un convertitore buck nel dispositivo elettronico riduce l'uscita USB alla tensione inferiore richiesta per caricare la batteria agli ioni di litio.

Hai appena visto l'introduzione di Giove ai convertitori buck. A questo punto è necessario comprendere il loro funzionamento e il modo in cui l'uscita CC dipende dal rapporto di lavoro e dalla frequenza di commutazione. Grazie per l'attenzione.