$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Przetwornice buck generują napięcie wyjściowe DC, które jest mniejsze niż wejście DC. Innymi słowy, wyboczenie w dół lub zmniejszenie napięcia zasilania. Powszechnie stosowane regulatory liniowe obniżają napięcie poprzez rozpraszanie mocy w postaci ciepła w rezystorze, co staje się bardzo nieefektywne przy dużych różnicach między napięciem wejściowym i wyjściowym. Podczas gdy elementy rezystancyjne marnują energię poprzez ogrzewanie dżulowe, przetwornice buck wykorzystują elementy reaktywne, które w idealnym przypadku nie rozpraszają energii, a w konsekwencji mogą skutecznie obniżać napięcie przy odpowiednim wzroście dostępnego prądu. W przetwornicy buck przełącznik chwyta zasilanie prądem stałym, aby utworzyć wejście AC do filtra dolnoprzepustowego. Filtr dolnoprzepustowy składa się z cewki indukcyjnej i kondensatora i pobiera średnie napięcie z niewielkimi stratami spowodowanymi rezystancjami pasożytniczymi. Wynikiem jest napięcie wyjściowe mniejsze lub równe napięciu wejściowemu. Ten film zobrazuje budowę przetwornicy buck i zbada, jak zmiana warunków pracy przetwornicy wpływa na jej napięcie wyjściowe.
Ten obwód przetwornicy buck wykorzystuje przełącznik elektroniczny do podłączania i odłączania cewki indukcyjnej od zasilania prądem stałym. Ten przełącznik może być tranzystorem bipolarnym, tranzystorem MOSFET lub innym podobnym urządzeniem elektronicznym. Cewka indukcyjna i kondensator tworzą filtr dolnoprzepustowy z diodą, która zapewnia ścieżkę dla prądu cewki indukcyjnej, gdy przełącznik jest otwarty. Wyjście filtra dolnoprzepustowego jest podłączone do obciążenia. Cyfrowy ciąg impulsów otwiera lub zamyka przełącznik ze współczynnikiem wypełnienia, D, który jest stosunkiem czasu włączenia do okresu. Gdy przełącznik jest zamknięty, wejście do filtra dolnoprzepustowego jest podłączone do napięcia zasilania, V in. Dioda staje się spolaryzowana wstecznie i nie przewodzi, a prąd przepływa przez cewkę indukcyjną. Gdy przełącznik jest otwarty, prąd cewki indukcyjnej musi płynąć w tym samym kierunku, a dioda staje się spolaryzowana w kierunku przewodzenia, tworząc pełną pętlę prądową. Na wejściu do filtra dolnoprzepustowego ta komutacja przełącznika wytwarza prostokątną falę, która oscyluje między V w przybliżeniu zerowym woltami. Z wyjątkiem pewnych tętnień, wyjście filtra jest średnią fali prostokątnej, która rośnie wraz ze wzrostem współczynnika wypełnienia. Przy wystarczająco wysokich częstotliwościach przełączania czasy ładowania i rozładowywania kondensatorów są krótkie. Tak więc tętnienie napięcia staje się małe, a wynikiem jest czyste wyjście prądu stałego, obniżone z wejścia prądu stałego. Ponieważ cewka indukcyjna i kondensator są elementami aktywnymi, w idealnym przypadku nie mają rezystancyjnych strat mocy. Idealny filtr LC jest wtedy w stanie przekazać moc do obciążenia ze 100% wydajnością. W rzeczywistości rezystancja drutu cewki indukcyjnej i inne pasożytnicze rezystancje w obwodzie zmniejszają sprawność do zakresu od 80 do 95%. Teraz, gdy omówiono podstawy przetwornicy buck, przyjrzyjmy się, w jaki sposób przetwornica buck obniża napięcie i kontynuuje tryb przewodzenia, zwany również CCM, stan, w którym cewka indukcyjna działa przez cały czas z prądem niezerowym.
Eksperymenty te wykorzystują płytkę słupa zasilania HiRel Systems, która jest przeznaczona do eksperymentowania z różnymi topologiami obwodów przetwornic DC na DC. Zacznij od upewnienia się, że przełącznik zasilania sygnałem, S90 jest wyłączony. Następnie podłącz zasilanie sygnałowe do złącza DIN J90. Ustaw zworki wyboru sterowania PWM, J62 i J63 w pozycji otwartej pętli. Ustaw zasilanie prądem stałym na dodatnie 24 wolty, ale nie podłączaj wyjścia zasilacza do płyty. Zbuduj obwód z górnym MOSFET-em, dolną diodą i płytką magnetyczną BB. Zapisz wartość cewki indukcyjnej na tablicy magnetycznej BB. Rezystor obciążenia RL to potencjometr mocy. Użyj multimetru, aby odczytać jego rezystancję, dostosowując go do 12 omów. Następnie podłącz rezystor obciążenia między zaciskami V2+ i COM. Ustaw bank selektorów przełączników S30 w następujący sposób. PWM do górnego MOSFET, użyj wbudowanego PWM i wyłącz obciążenie. Następnie podłącz sondę różnicową oscyloskopu między zaciskiem 15, który jest bramką górnego tranzystora MOSFET, a zaciskiem 11, który jest źródłem. Włącz przełącznik zasilania sygnału, S90 i obserwuj ciąg impulsów, który napędza MOSFET. Ustaw potencjometr regulacji częstotliwości, RV60, aby uzyskać częstotliwość przełączania 100 kiloherców. Ustaw potencjometr współczynnika wypełnienia RV63 tak, aby impulsy miały czas włączenia wynoszący pięć mikrosekund.
Sonda różnicowa powinna być podłączona między zaciskami 15 i 11, które są odpowiednio bramką i źródłem górnego serwera MOSFET. Aby zmierzyć napięcie na rezystorze obciążenia, RL, podłącz drugą sondę różnicową między zaciskami V2+ i COM. Podłącz zasilacz prądu stałego do zacisków wejściowych, V1+ i COM. Obserwuj trójkątny kształt fali dla napięcia wyjściowego i prostokątny ciąg impulsów sygnału przełączającego. Wzrosty napięcia wyjściowego w górę występują, gdy przełącznik przetwornicy buck jest zamknięty, a cewka indukcyjna przekazuje energię do kondensatora i obciążenia. Rampy w dół występują, gdy przełącznik jest otwarty, cewka indukcyjna jest odłączona od źródła napięcia wejściowego, a kondensator oddaje część zmagazynowanej energii do obciążenia. Następnie zmierz średnią wartość napięcia wyjściowego i czas włączenia napięcia źródła bramki. Zwróć uwagę na odczyty prądu wejściowego i napięcia z zasilacza prądu stałego. Powtórz ten test po wyregulowaniu potencjometru współczynnika wypełnienia RV64 tak, aby ciąg impulsów miał współczynniki wypełnienia 0,4, 0,6 i 0,7. Wraz ze wzrostem stopnia wypełnienia D wzrasta również średnie napięcie wyjściowe przekształtnika buck. Idealnie, jeśli D ma wartość 0,3, to wejście 24 V generuje wyjście około 7,2 V. Podobnie, jeśli D wynosi 0,5, to wyjście wynosiłoby około 12 woltów, a jeśli D wynosi 0,7, to wyjście wynosiłoby około 16,8 woltów i tak dalej.
Ustaw współczynnik wypełnienia na 0,5, a następnie podłącz wejściowe zasilanie prądem stałym do zacisków V1+ i COM. Ustaw RV60 tak, aby wytwarzał częstotliwość przełączania 100 kiloherców. Tak jak poprzednio, przebieg napięcia wyjściowego jest falą trójkątną wynikającą z filtra dolnoprzepustowego działającego na wejście fali prostokątnej. Napięcie źródła bramki to cyfrowy ciąg impulsów o częstotliwości 100 kiloherców. Okres 10 mikrosekund i czas włączenia pięciu mikrosekund. Zmierz średnią wartość napięcia wyjściowego i czas włączenia napięcia bramka-źródło. Zwróć uwagę na odczyty prądu wejściowego i napięcia z zasilacza prądu stałego. Powtórzyć ten test po ustawieniu RV60 na częstotliwość przełączania 10, 20 i 40 kiloherców przy współczynniku wypełnienia ustalonym na 0,5. Wraz ze wzrostem częstotliwości tętnienie wyjściowe maleje, ponieważ skraca się również czas ładowania i rozładowywania kondensatora. Ogólnie rzecz biorąc, napięcie wyjściowe w tym eksperymencie jest mniejsze niż oczekiwano od idealnej zależności. Odchylenie to jest wynikiem elementów pasożytniczych, takich jak rezystancja przewodu w cewce indukcyjnej i inne rezystancje w obwodzie, które powodują nieidealne spadki napięcia i nieuwzględnione straty energii.
Przetwornica buck zapewnia dobrze kontrolowaną regulację napięcia z towarzyszącym wzrostem prądu, co czyni je kluczowymi dla zastosowań związanych z minimalnymi stratami mocy w procesie konwersji. Zużycie energii w laptopach znacznie się zmniejszyło dzięki opracowaniu mikroprocesorów, które działają tylko przy napięciu 1,8 lub 0,8 V. Laptopy i urządzenia zdalnie sterowane wykorzystują przetwornice buck do obniżania napięcia baterii litowych do tych niskich wartości, wydłużając żywotność baterii i zwiększając prąd baterii, aby zaspokoić potrzeby układów scalonych z milionami tranzystorów. Urządzenia elektroniczne, takie jak telefony komórkowe, wykorzystują baterie litowo-jonowe o nominalnym napięciu ogniwa, około 3,6 do 3,7 wolta. Jednak standardowe ładowarki ze złączami USB dostarczają pięć woltów. Przetwornica buck w urządzeniu elektronicznym obniża wyjście USB do niższego napięcia wymaganego do naładowania akumulatora litowo-jonowego.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do konwerterów buck. Powinieneś teraz zrozumieć ich działanie i to, w jaki sposób wyjście DC zależy od współczynnika wypełnienia i częstotliwości przełączania. Dzięki za oglądanie.
