$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Buck converters genereren een DC-uitgangsspanning die lager is dan de DC-ingang. Met andere woorden, het verlagen of verminderen van de voedingsspanning. Gewoonlijk gebruikte lineaire regelaars verlagen de spanning door energie af te voeren als warmte in een weerstand, wat erg inefficiënt wordt bij grote verschillen tussen de ingangs- en uitgangsspanningen. Terwijl resistieve componenten energie verspillen door joule-verhitting, gebruiken buck converters reactieve componenten die idealiter geen energie afvoeren en dus de spanning efficiënt kunnen verlagen met een bijbehorende toename van beschikbare stroom. In de buck-converter houdt een schakelaar de DC-voeding vast om de AC-ingang voor een laagdoorlaatfilter te creëren. Het laagdoorlaatfilter bestaat uit een inductor en een condensator en extraheert de gemiddelde spanning met slechts kleine verliezen door parasitaire weerstanden. Het resultaat is een uitgangsspanning gelijk aan of minder dan de ingangsspanning. Deze video zal de constructie van een buck-converter illustreren en onderzoeken hoe het veranderen van de werkingsomstandigheden van de converter de uitgangsspanning beïnvloedt.
Deze buck-converter-schakeling gebruikt een elektronische schakelaar om een inductor aan te sluiten en los te koppelen van de DC-voeding. Deze schakelaar kan een bipolaire transistor, een MOSFET of een ander soortgelijk elektronisch apparaat zijn. De inductor en een condensator vormen een laagdoorlaatfilter met een diode om een pad te bieden voor de inductorstroom wanneer de schakelaar open staat. De uitgang van het laagdoorlaatfilter is verbonden met de belasting. Een digitale pulstrein opent of sluit de schakelaar met een stroombelasting, D, wat de verhouding is tussen de aan-tijd en de periode. Wanneer de schakelaar gesloten is, wordt de ingang van het laagdoorlaatfilter verbonden met de voedingsspanning, V in. De diode wordt omgekeerd gebaasd en leidt niet en de stroom stroomt door de inductor. Wanneer de schakelaar open is, moet deze inductorstroom in dezelfde richting doorgaan en de diode wordt voorwaarts gebaasd om een complete stroomlus te vormen. Aan de ingang van het laagdoorlaatfilter produceert deze schakelaarcommutatie een rechthoekige golf die oscilleert tussen V in in ongeveer nul volt. Behalve enkele rimpelingen is de uitgang van de filter het gemiddelde van de rechthoekige golf, dat toeneemt naarmate de belastingsverhouding toeneemt. Bij voldoende hoge schakelfrequenties zijn de laad- en ontlaadtijden van de condensatoren kort. Dus worden de spanningsrimpelingen klein en het resultaat is een schone DC-uitgang die is verlaagd van de DC-ingang. Omdat de inductor en de condensator reactieve componenten zijn, hebben ze idealiter geen resistieve stroombelasting. Het ideale LC-filter kan dan vermogen naar de belasting doorleiden met 100% efficiëntie. In werkelijkheid verminderen de draadweerstand van de inductor en andere parasitaire weerstanden in het circuit de efficiëntie tot het bereik van 80 tot 95%. Nu de basisprincipes van de buck-converter zijn besproken, laten we eens kijken hoe een buck-converter de spanning verlaagt en verder gaat als geleidingsmodus, ook wel CCM genoemd, een toestand waarin de inductor altijd met niet-nul stroom werkt.
Deze experimenten gebruiken de HiRel Systems power pole board die is ontworpen voor experimenten met verschillende DC-naar-DC-converterschakelingen. Begin door ervoor te zorgen dat de signaalvoedingsschakelaar, S90, is uitgeschakeld. Steek vervolgens de signaalvoeding in connector J90. Stel de PWM-besturingsselectie-jumpers, J62 en J63, in op de open-loop positie. Stel de DC-voeding in op positief 24 volt, maar sluit de uitgang van de voeding niet aan op de printplaat. Bouw de schakeling met de bovenste MOSFET, de onderste diode en de BB-magnetische printplaat. Noteer de waarde van de inductor op de BB-magnetische printplaat. De belastingsweerstand RL is een vermogenspotentiometer. Gebruik een multimeter om de weerstand te meten terwijl u deze instelt op 12 ohm. Verbind vervolgens de belastingsweerstand tussen de terminal V2+ en COM. Stel de schakelaarschakelaarbank S30 als volgt in. PWM naar de bovenste MOSFET, gebruik Onboard PWM en schakel de belasting uit. Verbind vervolgens de differentiële sondevork tussen terminal 15, dat de poort van de bovenste MOSFET is, en terminal 11, dat de bron is. Schakel de signaalvoedingsschakelaar, S90, in en observeer de pulstrein die de MOSFET aandrijft. Stel de frequentie-instelpotentiometer, RV60, in om een schakelfrequentie van 100 kilohertz te produceren. Stel de belastingsverhoudingspotentiometer, RV63, in zodat de pulsen een aan-tijd van vijf microseconden hebben.
Houd de differentiële sondevork verbonden tussen terminals 15 en 11, die respectievelijk de poort en bron van de bovenste MOSFET zijn. Om de spanning over de belastingsweerstand, RL, te meten, verbindt u de andere differentiële sondevork tussen de terminal V2+ en COM. Verbind de DC-voeding met de ingangsterminals, V1+ en COM. Observeer de driehoekige golfvorm voor uitgangsspanning en de rechthoekige pulstrein van het schakelsignaaL De opwaartse ramps van de uitgangsspanning treden op wanneer de buck-converterschakelaar gesloten is en de inductor energie overdraagt naar de condensator en belasting. De neerwaartse ramps treden op wanneer de schakelaar open is, de inductor is losgekoppeld van de ingangsspanningsbron en de condensator geeft wat opgeslagen energie af aan de belasting. Meet vervolgens de gemiddelde waarde van de uitgangsspanning en de aan-tijd van de poortbronspanning. Noteer de ingangsstroom en spanningswaarden van de DC-voeding. Herhaal deze test na het aanpassen van de belastingsverhoudingspotentiometer, RV64, zodat de pulstrein belastingsverhoudingen van 0,4, 0,6 en 0,7 heeft. Naarmate de belastingsverhouding D toeneemt, neemt de gemiddelde uitgangsspanning van de buck-converter ook toe. Ideaal gesproken genereert een ingang van 24 volt bij een belastingsverhouding van 0,3 een uitgang van ongeveer 7,2 volt. Evenzo zou de uitgang ongeveer 12 volt zijn als D 0,5 is of als D 0,7 is, dan zou de uitgang ongeveer 16,8 volt zijn, enzovoort.
Stel de belastingsverhouding in op 0,5 en verbind vervolgens de ingangs-DC-voeding met de terminals V1+
