$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Понижающие преобразователи генерируют выходное напряжение постоянного тока, которое меньше входного напряжения постоянного тока. Другими словами, снижение или уменьшение напряжения питания. Обычно используемые линейные стабилизаторы понижают напряжение за счет рассеивания мощности в виде тепла в резисторе, который становится очень неэффективным при большой разнице между входным и выходным напряжениями. В то время как резистивные компоненты тратят энергию на джоулевый нагрев, в понижающих преобразователях используются реактивные компоненты, которые в идеале не рассеивают энергию и, следовательно, могут эффективно снижать напряжение при соответствующем увеличении доступного тока. В понижающем преобразователе переключатель захватывает источник постоянного тока для создания входного напряжения переменного тока для фильтра нижних частот. Фильтр нижних частот состоит из катушки индуктивности и конденсатора и извлекает среднее напряжение с небольшими потерями из-за паразитных сопротивлений. В результате выходное напряжение меньше или равно входному напряжению. В этом видео будет проиллюстрирована конструкция понижающего преобразователя и исследуется, как изменение условий работы преобразователя влияет на его выходное напряжение.
В этой схеме понижающего преобразователя используется электронный переключатель для подключения и отключения катушки индуктивности от источника питания постоянного тока. Таким переключателем может быть биполярный транзистор, МОП-транзистор или другое подобное электронное устройство. Катушка индуктивности и конденсатор образуют фильтр нижних частот с диодом, который обеспечивает путь для тока индуктора при разомкнутом переключателе. Выход фильтра нижних частот подключен к нагрузке. Цифровая последовательность импульсов размыкает или замыкает переключатель с коэффициентом заполнения D, который представляет собой отношение времени включения к периоду. Когда переключатель замкнут, вход фильтра нижних частот подключается к напряжению питания, В вход. Диод становится с обратным смещением и не проводит ток через катушку индуктивности. Когда переключатель разомкнут, этот ток индуктора должен продолжаться в том же направлении, и диод смещается вперед, образуя полную петлю тока. На входе фильтра нижних частот эта коммутация переключателя создает прямоугольную волну, которая колеблется между V in примерно с нулевым напряжением. За исключением некоторой пульсации, выходной сигнал фильтра представляет собой среднее значение прямоугольной волны, которое увеличивается по мере увеличения коэффициента заполнения. При достаточно высоких частотах переключения время заряда и разряда конденсаторов невелико. Таким образом, пульсации напряжения становятся небольшими, и в результате получается чистый выход постоянного тока, отступающий от входа постоянного тока. Поскольку катушка индуктивности и конденсатор являются реактивными компонентами, в идеале они не должны терять резистивную мощность. В этом случае идеальный LC-фильтр способен передавать питание на нагрузку со 100% эффективностью. В действительности, сопротивление провода катушки индуктивности и другие паразитные сопротивления в цепи, снижают КПД до диапазона от 80 до 95%. Теперь, когда мы рассмотрели основы понижающего преобразователя, давайте рассмотрим, как понижающий преобразователь понижает напряжение и продолжает работать в режиме проводимости, также называемом КМС, при котором катушка индуктивности постоянно работает с ненулевым током.
В этих экспериментах используется плата силовых столбов HiRel Systems, предназначенная для экспериментов с различными топологиями цепей преобразователей постоянного тока. Начните с того, что убедитесь, что переключатель подачи сигнала S90 выключен. Затем подключите подачу сигнала к разъему DIN J90. Установите перемычки выбора элемента управления ШИМ J62 и J63 в положение разомкнутого контура. Отрегулируйте блок питания постоянного тока на положительные 24 вольта, но не подключайте выход блока питания к плате. Соберите схему с верхним МОП-транзистором, нижним диодом и магнитной платой BB. Запишите значение катушки индуктивности на магнитной доске BB. Нагрузочный резистор RL является потенциометром мощности. Используйте мультиметр для считывания его сопротивления, регулируя его на 12 Ом. Затем подключите нагрузочный резистор между клеммами V2+ и COM. Установите переключатель селектора банка S30 следующим образом. ШИМ на верхний МОП-транзистор, используйте бортовую ШИМ и выключите нагрузку. Затем подключите дифференциальный щуп осциллографа между клеммой 15, которая является затвором верхнего МОП-транзистора, и клеммой 11, которая является источником. Включите переключатель подачи сигнала S90 и наблюдайте за последовательностью импульсов, которая приводит в действие МОП-транзистор. Установите потенциометр регулировки частоты RV60 на получение частоты переключения 100 килогерц. Установите потенциометр рабочего коэффициента RV63 так, чтобы время включения импульсов составляло пять микросекунд.
Дифференциальный пробник осциллографа должен быть подключен между клеммами 15 и 11, которые являются стробом и источником верхнего МОП-транзистора соответственно. Для измерения напряжения на нагрузочном резисторе (RL) подключите другой дифференциальный пробник между клеммами V2+ и COM. Подключите источник питания постоянного тока к входным клеммам V1+ и COM. Обратите внимание на треугольную форму сигнала выходного напряжения и прямоугольную последовательность импульсов коммутационного сигнала. Повышение выходного напряжения происходит, когда переключатель понижающего преобразователя замыкается, а катушка индуктивности передает энергию конденсатору и нагрузке. Нисходящие нарастания возникают, когда переключатель разомкнут, катушка индуктивности отключена от источника входного напряжения, и конденсатор отдает часть накопленной энергии нагрузке. Затем измерьте среднее значение выходного напряжения и время включения напряжения источника затвора. Обратите внимание на показания входного тока и напряжения от источника питания постоянного тока. Повторите этот тест после регулировки коэффициента заполнения потенциометра RV64 таким образом, чтобы последовательность импульсов имела коэффициенты заполнения 0,4, 0,6 и 0,7. По мере увеличения коэффициента заполнения D увеличивается и среднее выходное напряжение понижающего преобразователя. В идеале, если D имеет значение 0,3, то входное напряжение 24 вольта генерирует выходное напряжение около 7,2 вольт. Точно так же, если D равно 0,5, то выходное напряжение составит около 12 вольт, а если D равно 0,7, то выходное напряжение составит около 16,8 вольт и так далее.
Установите коэффициент заполнения равным 0,5, а затем подключите входной источник постоянного тока к клеммам V1+ и COM. Установите RV60 на частоту переключения 100 килогерц. Как и раньше, форма сигнала выходного напряжения представляет собой треугольную волну, возникающую в результате воздействия фильтра нижних частот на вход прямоугольной волны. Напряжение источника затвора представляет собой цифровую последовательность импульсов с частотой 100 килогерц. Период 10 микросекунд и время включения пять микросекунд. Измерьте среднее значение выходного напряжения и время включения затвора к напряжению источника. Обратите внимание на показания входного тока и напряжения от источника питания постоянного тока. Повторите этот тест после настройки RV60 на частоту переключения 10, 20 и 40 килогерц с фиксированным коэффициентом заполнения 0,5. По мере увеличения частоты пульсации на выходе уменьшаются, потому что время заряда и разряда конденсатора также уменьшается. В целом, выходное напряжение в данном эксперименте меньше, чем ожидалось от идеального соотношения. Это отклонение является результатом паразитных элементов, таких как сопротивление провода в катушке индуктивности и другие сопротивления в цепи, которые создают неидеальные падения напряжения и неучтенные потери энергии.
Понижающие преобразователи обеспечивают хорошо контролируемую регулировку напряжения с сопутствующим повышением тока, что делает их критически важными для приложений, требующих минимальных потерь мощности в процессе преобразования. Энергопотребление в ноутбуках сильно снизилось благодаря развитию микропроцессоров, которые работают всего от 1,8 или 0,8 вольта. В ноутбуках и устройствах с дистанционным управлением используются понижающие преобразователи для снижения напряжения литиевых батарей до этих низких значений, продлевая срок службы батареи и увеличивая ток батареи для удовлетворения потребностей интегральных схем с миллионами транзисторов. В электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, используются литий-ионные батареи с номинальным напряжением от 3,6 до 3,7 вольт. Тем не менее, стандартизированные зарядные устройства с USB-разъемами подают пять вольт. Понижающий преобразователь в электронном устройстве понижает выход USB до более низкого напряжения, необходимого для зарядки литий-ионного аккумулятора.
Вы только что посмотрели введение Джова в конвертеры бакса. Теперь вы должны понимать их работу и то, как выходной каскад зависит от коэффициента заполнения и частоты переключения. Спасибо за просмотр.
