Convertidor DC/DC

Electrical Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Overview

Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.

Convertidores Boost proporcionan una solución versátil para intensificar los voltajes DC en muchas aplicaciones donde un voltaje DC debe ser aumentado sin necesidad de convertir a la CA, utilizando un transformador y luego rectificar la salida del transformador. Convertidores Boost son convertidores elevadores que utilizan un inductor como un dispositivo de almacenamiento de energía que apoya la salida con energía adicional además de la fuente de entrada de DC. Esto hace que la tensión de salida impulsar.

El objetivo de este experimento es estudiar diversas características de un convertidor boost. Se observará la capacidad de Step-up del convertidor en modo de conducción continua (MCC) donde el corriente del inductor es cero. Se utilizará la operación de bucle abierto con una relación de deber conjunto manualmente. Se observará una aproximación de la relación insumo-producto.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Ingeniería eléctrica. Convertidor DC/DC. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Un convertidor boost se basa en la energía almacenada en el inductor, L, para suministrar energía a la parte de salida donde se apoya la carga, además de una fuente de continua siendo la principal fuente de energía. El concepto principal detrás de la operación de convertidor boost es que un inductor moverá de un tirón su polaridad de tensión para mantener el flujo de corriente. Como se muestra en la figura 1 para un circuito de convertidor boost simple, cuando el interruptor está encendido para un ciclo de trabajo D el período de conmutación T, voltaje inductor acumula VL . Cuando el interruptor está apagado, el inductor actual tiene que seguir fluyendo y por lo tanto, la polaridad de voltaje del inductor moverá de un tirón para agregar a la tensión de entrada Ven.

Sin embargo, cuando el interruptor está encendido, la carga es cortocircuitada y la tensión de salida es cero, lo que no se desea. Por lo tanto, un diodo de bloqueo se agrega en el lado de salida como se muestra en la figura 1 para evitar que la carga esté cortocircuitado. Este diodo todavía no resuelve el problema de la carga no ver ningún voltaje cuando el interruptor está encendido, por lo que se añade un condensador como se muestra en la figura 1 para proporcionar la carga de corriente necesaria durante el período cuando el interruptor está en. Tenga en cuenta que cuando el interruptor está encendido, el diodo está apagado (retorno parcial) y viceversa. El voltaje de salida promedio se relaciona así con la tensión de entrada como: <a> = Ven/(1-D).

Figure 1
Figura 1. Pasos para la construcción de un convertidor boost

Como producto de este experimento, se mostrará que el voltaje de salida promedio aumenta a medida que el ciclo de trabajo, D, aumenta. Esto es cierto ya que la tensión de salida a la relación de voltaje de entrada es inversamente proporcional a -D, y por lo tanto el voltaje de la salida y la D tienen una correlación positiva.

Tenga en cuenta que la ecuación presentada es para un convertidor ideal y puede parecer como si una D = 1 producirá tensión de salida infinita, pero eso no es cierto. En realidad, elementos parásitos y resistencias en la causa de convertidor boost D limitarse a alrededor del 70-80% después de que los efectos parásitos comienzan a dominar la operación del circuito y causa caídas de voltaje significativo. En tal punto, el voltaje de salida empieza a disminuir a medida que aumenta el D . Con mayores frecuencias de conmutación, la ondulación de voltaje a la salida disminuirá desde el voltaje de carga y tiempos de descarga en el condensador significativamente más cortos con una menor frecuencia de conmutación.

Procedure

Atención: Este experimento está diseñado para limitar la tensión de salida para ser menos de 50V DC. Sólo uso deber proporciones, frecuencias, voltaje de entrada o cargas que se dan aquí.

Este experimento utilizará el tablero de convertidor DC-DC proporcionado por sistemas de HiRel. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-pole-Board.html

Información sobre el funcionamiento de la Junta se puede encontrar en este video de colecciones "Introducción a la Junta de HiRel".

El procedimiento que se muestra a continuación se aplica a cualquier circuito de convertidor boost simple puede ser construido en proto boards, tablas de pan o placas de circuito impreso.

1. configuración de Junta Directiva:

  1. Conecte la fuente de señal de ±12 en el conector "DIN" pero tener "S90" OFF.
  2. Asegúrese que el selector de control PWM está en la posición de lazo abierto.
  3. Establecer la fuente de alimentación de 10 V.
    1. Mantener la salida desconectada de la placa por ahora.
  4. Antes de conectar la resistencia de carga, ajustar a 20 Ω.
  5. Construya el circuito mostrado en la figura 2 utilizando el MOSFET inferior diodo superior y tablero magnético de BB.
    1. Tenga en cuenta el valor de inductancia que se muestra en el tablero.
  6. Conectar "RL"a través "V1 +" y "COM."
    1. Tenga en cuenta que las conexiones de entrada y salidas son volteadas en comparación con aquellos en el experimento de convertidor buck.
    2. Nunca desconecte la carga durante el experimento como el convertidor puede volverse inestable y causar daños a la Junta.
    3. Asegúrese de que la matriz de interruptor para selección de MOSFET (MOSFET inferior), selección de PWM y otras configuraciones son correctas lograr un circuito funcional como en la figura 2.

Figure 2
Figura 2 . Impulsar el circuito de convertidor

2. ajustar la relación de trabajo y frecuencia de conmutación

  1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta-fuente del MOSFET inferior.
  2. Encienda "S90." Una señal de conexión aparecerá la pantalla alcance.
    1. Ajuste el eje de tiempo de señal para ver dos o tres períodos.
    2. Ajuste el potenciómetro de frecuencia para alcanzar una frecuencia de 100 kHz (período de 10 μs).
  3. Ajuste el potenciómetro de relación de trabajo para lograr una relación de trabajo del 10% (en vez de 1 μs).

3. convertidor prueba de entrada Variable

  1. Conecte la entrada fuente de alimentación, que ya está establecida en 10 V, y "V2 +" y "COM."
  2. Conecte la sonda diferencial para medir el inductor corriente "CS5".
    1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
    2. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media, ondulación actual inductor y media actual de inductor.
    3. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
  3. Ajuste la tensión de entrada a 8 V, 12 V y 14 V y repita los pasos anteriores para cada uno de estos voltajes.
  4. Desconecte la entrada DC de la fuente y ajustar su producción a 10 V.

4. convertidor prueba derecho Variable relación

  1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET inferior.
    1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
    2. Conecte la entrada fuente de DC "V2 +" y "COM."
    3. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media y en vez de la tensión compuerta a fuente (también la relación de deber).
    4. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
  2. Ajustar la relación de trabajo al 20%, 40% y 60%. Repita los pasos anteriores para cada uno de estos cocientes de tres derechos.
  3. Restablecer la relación de trabajo al 10%.
  4. Desconecte la fuente de entrada.

5. impulsar el convertidor de prueba para la Variable frecuencia de conmutación

  1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET inferior.
  2. Conectar la otra sonda a través de la carga con el conector de tierra conectado a "COM."
  3. Conecte la entrada fuente de DC "V2 +" y "COM."
  4. Ajustar la frecuencia de conmutación a 70 kHz.
  5. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media y en vez de la tensión compuerta a fuente (también la relación de deber).
  6. Registro la entrada de corriente y voltaje en la alimentación de CC de la fuente.
  7. Ajustar la frecuencia de conmutación de 40 kHz, 20 kHz y 10 kHz (o mínimo posible si no se puede llegar a 10 kHz).
  8. Repita los pasos anteriores para cada una de estas tres frecuencias de conmutación.
  9. Apague la fuente de entrada y "S90" y luego desmontar el circuito.

Convertidores Boost se utilizan en electrónica para generar un voltaje de salida DC que es mayor que el DC de entrada, por lo tanto impulsar hacia arriba la tensión de alimentación. Convertidores Boost se utilizan a menudo en fuentes de alimentación para LED blanco, baterías para automóviles eléctricos y muchas otras aplicaciones. Un convertidor almacena energía en campo magnético de un inductor y transfiere a la carga con un circuito de conmutación. La transferencia de energía del campo de magnético del inductor permite el aumento en salida DC en una sola etapa. Este video se ilustra la construcción de un convertidor boost e investigar cómo el cambio de condición de funcionamiento del convertidor afecta su tensión de salida.

Este circuito de convertidor boost simple consiste en una fuente de voltaje de entrada DC conectada a un inductor y un interruptor. El interruptor puede ser un transistor bipolar, un MOSFET o, otro dispositivo electrónico similar que alternativamente se conecta y desconecta el inductor de la línea común de la fuente de alimentación. Un diodo de bloqueo conecta el inductor con un condensador que filtra la ondulación de la tensión de salida. Aumento de la capacitancia disminuye la ondulación. Para una capacidad suficientemente grande la salida se convierte en un voltaje de DC constante. Un tren de pulsos digital se abre o cierra el interruptor. El pulso tiene una relación de deber que es la relación entre el tiempo en el periodo. La relación deber puede variar de cero o aumentar a uno con cada vez más el tiempo. Cuando el pulso está encendido, el interruptor se cierra y el inductor está conectado a través de la tensión de alimentación. En este estado, el inductor terminal conectado a la salida de la fuente de alimentación tiene el potencial más alto y el terminal conectado en común tiene el potencial más bajo. Ahora actual atraviesa el inductor aumenta linealmente con el tiempo suficientemente altas frecuencias de conmutación. Durante este tiempo el voltaje del inductor es definido como positiva ya que la pendiente de la corriente versus tiempo es positivo. El inductor almacena energía proporcional al cuadrado de la corriente en su campo magnético. Cuanto más tiempo el inductor está conectado a la fuente de alimentación, los aumentos más actuales y más la energía que almacena. Cuando el interruptor se abre, la corriente por el inductor debe seguir fluyendo en la misma dirección. Esta corriente también disminuye porque el inductor ahora da energía a la carga. El voltaje del inductor se convierte en negativo porque la pendiente de la corriente frente al tiempo es negativa. Como resultado, polaridad de inductor gira y ahora añade a la fuente de voltaje "V en" producir un mayor potencial a la salida. El circuito en este estado, adelante predispone el diodo y las descargas de inductor actual, algunos van a la carga y algunos va al condensador que luego almacena la carga. Cuando el interruptor cierra otra vez el diodo se vuelve inversa parcial desconectar el inductor de la salida y evitando un cortocircuito de la carga. Durante este tiempo se recarga el inductor y en su lugar el condensador proporciona corriente a la carga. Este ciclo de carga y descarga del condensador produce un voltaje de salida promedio con alguna cantidad de ondulación. En suficientemente alta cambio de frecuencias, tiempos de descarga y carga del condensador son cortas y llega a la salida una tensión de estado estacionario con relativamente poca ondulación. Este ciclo de conmutación se repite indefinidamente y es la base del funcionamiento de convertidor boost. Idealmente el voltaje de salida promedio aumenta a medida que aumenta la relación de trabajo y una relación de deber de uno genera tensión infinita. Elementos sin embargo parásitos y resistencias en el convertidor valores útiles de D hasta un máximo de 0,7 o 0,8 límite. Si D es suficientemente grande, efectos parásitos dominan la operación de circuito y disminuciones de tensión de salida como D sigue aumentando. En los experimentos siguientes estudiaremos también cómo un convertidor intensifica voltaje en el modo de conducción continua, llamado CCM, una condición cuando el inductor funciona en todo momento no cero corriente.

La tensión de salida en este experimento está limitado a 50 volts DC o menos. Utilice sólo los ciclos de trabajo especificado, frecuencias, voltajes de entrada y cargas. Estos experimentos utilizan HiRel sistemas alimentación poste Junta diseñada para la experimentación con las topologías del circuito convertidor DC DC diferentes. Con el interruptor de la fuente de señal S90 apagado, conectar el +-12 voltios fuente de señal conector den J90. Ajuste el control PWM puentes selección J62 y J63 a la posición de lazo abierto. Ajuste la fuente de alimentación a 10 voltios positivos, pero no conecte la salida de la fuente de poder a la Junta. A continuación construir el circuito como se muestra con el MOSFET inferior, el diodo superior y el tablero magnético de BB. Registre el valor del inductor en el tablero magnético de BB. La resistencia de carga es un potenciómetro de potencia. Use un medidor multi para medir su resistencia y ajuste a 20 ohmios. Luego conectar el potenciómetro entre terminales V1 + y com Set interruptor selector Banco S30 como sigue: PWM a fondo MOSFET, usar PWM a bordo y desconectar la carga. Conectar sonda diferencial del osciloscopio entre el terminal 16 que es la puerta del MOSFET inferior y 12 terminal que es la fuente. Encienda el interruptor S90. El tren de pulso que el MOSFET debe aparecer en la pantalla del ámbito. Seleccione el eje del tiempo de alcance para mostrar varios períodos de esta forma de onda. Ajuste el potenciómetro de ajuste de frecuencia RV60 para producir una frecuencia de conmutación de 100 kilociclos. Ajuste el potenciómetro de relación de deber RV64 así que los pulsos tienen un tiempo de encendido de un microsegundo que corresponde a una relación de deber de 0.1.

Conectar la fuente de alimentación a los terminales de entrada de V2 + y COM. Para medir el inductor corriente Conecte la sonda diferencial alcance entre terminales CS5 y COM. Para medir el voltaje en la resistencia de carga RL, conectar la otra sonda diferencial entre los terminales V1 + y COM. La tensión de salida debe ser una onda triangular. Las rampas ascendentes se presentan cuando el interruptor del convertidor boost está abierto y el inductor es transferencia de energía a la carga. Las rampas hacia abajo ocurren cuando el interruptor está cerrado, el inductor es desconectado de la salida, y el condensador es el suministro de energía a la carga. El inductor de corriente es una onda triangular que rampas linealmente durante el tiempo en el tren de pulsos, luego rampas abajo linealmente durante el tiempo de apagado. El desplazamiento es la corriente media. Con el ámbito construido en funciones de medición, mida el valor medio de la tensión de salida y el valor medio del corriente del inductor. Repita estos pasos con la entrada DC fuente de alimentación para ocho, 12 y 14 voltios. Para una obligación fija relación a medida que la tensión de entrada aumenta la tensión de salida de un convertidor ideal debe aumentar proporcionalmente.

Esta parte del experimento mide la relación de deber del tren de pulsos en vez del corriente del inductor. Conecte las puntas de alcance entre los terminales 16 y 12, que son la fuente de puerta del MOSFET inferior respectivamente. Conecte la entrada fuente de alimentación a los bornes V2 + y COM. Como antes, la tensión de salida es una onda triangular por el inductor y el condensador alternativamente suministro de corriente a la carga. El voltaje de la fuente de gate de lo MOSFET es un tren de pulso digital con una frecuencia de 100 kHz, un período de 10 microsegundos y un tiempo de encendido de un microsegundo. Medir el valor medio de la tensión de salida y el tiempo de encendido de la puerta a lecturas de voltaje y tensión de la fuente junto con la corriente de entrada de la fuente de alimentación. Repita esta prueba después de potenciómetro deber relación RV64 así la secuencia de pulso tiene un en vez de dos, cuatro y seis microsegundos, que corresponden a las relaciones de trabajo de 0.2, 0.4 y 0.6 respectivamente.

Como relación de deber D aumenta, también aumenta la tensión de salida del convertidor boost. Idealmente si D tiene un valor de 0.2 una entrada de 10 voltios genera una salida de unos 12,5 voltios. Si D es 0.4 la salida sería aproximadamente 16,6 voltios. Si D es 0.6 la salida sería de 25 voltios. En general, la tensión de salida es menor de lo esperado de la relación ideal porque elementos parásitos crean caídas de tensión no ideal y pérdida de energía no contabilizada. Como la relación de trabajo acerca a uno, la tensión de salida teórica se vuelve infinitamente grande. En realidad, la tensión de salida está limitada a tres o cuatro veces el voltaje de entrada y la influencia de componentes parásitas e ideales no hace que la tensión de salida disminuir después D llega a ser suficientemente alto.

Convertidores Boost generan un voltaje de salida mayor que el voltaje de entrada y muchas aplicaciones incorporan para aumentar la flexibilidad en la elección de fuentes de energía. El voltaje de un panel solar cambia con la posición del sol, clima y sombra. Se usan convertidores Boost a la salida variable de una matriz de panel solar para proporcionar una tensión constante para alimentar una red eléctrica. Se utilizan con frecuencia sistemas de baterías para dispositivos de alimentación sin la utilización de un cable de alimentación. Con el fin de lograr la necesaria tensión de salida mayor, las pilas suelen ser apiladas. Esto puede tomar un montón de espacio si muchas células se necesitan para alcanzar el resultado deseado. En cambio, convertidores boost se utilizan para intensificar la tensión conservando el espacio.

Acabo de ver introducción de Zeus a los convertidores Boost. Ahora debe entender como trabajo de convertidores boost y cómo ajustar de entrada tensión, relación de deber y la frecuencia afecta el voltaje de salida. Gracias por ver.

Results

La relación de voltaje de salida-entrada convertidor boost es proporcional al ciclo de deber en el sentido que mayor D producirá mayores voltajes de salida para una tensión de entrada dada. Si el voltaje de entrada es Veny la tensión de salida es Va, Va /Ven= 1 / (1 -D), donde 0≤D≤ 100%. Por lo tanto, para un voltaje de entrada de 10 V, Va≈ 12,5 V para D = 20%, Va 16.67 V d= 40% y Va≈ 25 V para D = 60%.

Sin embargo, la tensión de salida será menor de lo esperado de la relación ideal, que es lineal con la relación de trabajo. La razón principal es que el modelo de convertidor ideal de que la relación Va/ven puede ser derivada no tiene en cuenta para no ideales y caídas de voltaje en el convertidor. Teóricamente, como D→100%, Va→∞; prácticamente, es un límite teórico de la capacidad de refuerzo alrededor de 3-4 x la tensión de entrada, y después de un cierto nivel de D, la tensión de salida del convertidor comienza a caer en lugar de ser impulsado por elementos parásitos y no son ideales en un verdadero convertidor.

Applications and Summary

Convertidores Boost son muy comunes en aplicaciones de energía solar fotovoltaicas donde la tensión de entrada del panel solar varía con las condiciones climáticas y disponibilidad de energía solar y un convertidor puede aumentar siempre de la tensión del panel PV. Corrección de factor de potencia para mejorar la calidad de la energía de la rejilla para uso general con energía electrónica cargas que requieran gran potencia reactiva, por ejemplo motores, es otra importante aplicación de convertidores boost.

Atención: Este experimento está diseñado para limitar la tensión de salida para ser menos de 50V DC. Sólo uso deber proporciones, frecuencias, voltaje de entrada o cargas que se dan aquí.

Este experimento utilizará el tablero de convertidor DC-DC proporcionado por sistemas de HiRel. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-pole-Board.html

Información sobre el funcionamiento de la Junta se puede encontrar en este video de colecciones "Introducción a la Junta de HiRel".

El procedimiento que se muestra a continuación se aplica a cualquier circuito de convertidor boost simple puede ser construido en proto boards, tablas de pan o placas de circuito impreso.

1. configuración de Junta Directiva:

  1. Conecte la fuente de señal de ±12 en el conector "DIN" pero tener "S90" OFF.
  2. Asegúrese que el selector de control PWM está en la posición de lazo abierto.
  3. Establecer la fuente de alimentación de 10 V.
    1. Mantener la salida desconectada de la placa por ahora.
  4. Antes de conectar la resistencia de carga, ajustar a 20 Ω.
  5. Construya el circuito mostrado en la figura 2 utilizando el MOSFET inferior diodo superior y tablero magnético de BB.
    1. Tenga en cuenta el valor de inductancia que se muestra en el tablero.
  6. Conectar "RL"a través "V1 +" y "COM."
    1. Tenga en cuenta que las conexiones de entrada y salidas son volteadas en comparación con aquellos en el experimento de convertidor buck.
    2. Nunca desconecte la carga durante el experimento como el convertidor puede volverse inestable y causar daños a la Junta.
    3. Asegúrese de que la matriz de interruptor para selección de MOSFET (MOSFET inferior), selección de PWM y otras configuraciones son correctas lograr un circuito funcional como en la figura 2.

Figure 2
Figura 2 . Impulsar el circuito de convertidor

2. ajustar la relación de trabajo y frecuencia de conmutación

  1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta-fuente del MOSFET inferior.
  2. Encienda "S90." Una señal de conexión aparecerá la pantalla alcance.
    1. Ajuste el eje de tiempo de señal para ver dos o tres períodos.
    2. Ajuste el potenciómetro de frecuencia para alcanzar una frecuencia de 100 kHz (período de 10 μs).
  3. Ajuste el potenciómetro de relación de trabajo para lograr una relación de trabajo del 10% (en vez de 1 μs).

3. convertidor prueba de entrada Variable

  1. Conecte la entrada fuente de alimentación, que ya está establecida en 10 V, y "V2 +" y "COM."
  2. Conecte la sonda diferencial para medir el inductor corriente "CS5".
    1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
    2. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media, ondulación actual inductor y media actual de inductor.
    3. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
  3. Ajuste la tensión de entrada a 8 V, 12 V y 14 V y repita los pasos anteriores para cada uno de estos voltajes.
  4. Desconecte la entrada DC de la fuente y ajustar su producción a 10 V.

4. convertidor prueba derecho Variable relación

  1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET inferior.
    1. Conectar la otra sonda a través de la carga. Asegúrese de que el conector de tierra está conectado a "COM."
    2. Conecte la entrada fuente de DC "V2 +" y "COM."
    3. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media y en vez de la tensión compuerta a fuente (también la relación de deber).
    4. Apunte la corriente de entrada y las lecturas de voltaje en la fuente de alimentación.
  2. Ajustar la relación de trabajo al 20%, 40% y 60%. Repita los pasos anteriores para cada uno de estos cocientes de tres derechos.
  3. Restablecer la relación de trabajo al 10%.
  4. Desconecte la fuente de entrada.

5. impulsar el convertidor de prueba para la Variable frecuencia de conmutación

  1. Conecte la sonda diferencial a través de la puerta a la fuente del MOSFET inferior.
  2. Conectar la otra sonda a través de la carga con el conector de tierra conectado a "COM."
  3. Conecte la entrada fuente de DC "V2 +" y "COM."
  4. Ajustar la frecuencia de conmutación a 70 kHz.
  5. Capturar las formas de onda y medir la salida tensión media y en vez de la tensión compuerta a fuente (también la relación de deber).
  6. Registro la entrada de corriente y voltaje en la alimentación de CC de la fuente.
  7. Ajustar la frecuencia de conmutación de 40 kHz, 20 kHz y 10 kHz (o mínimo posible si no se puede llegar a 10 kHz).
  8. Repita los pasos anteriores para cada una de estas tres frecuencias de conmutación.
  9. Apague la fuente de entrada y "S90" y luego desmontar el circuito.

Convertidores Boost se utilizan en electrónica para generar un voltaje de salida DC que es mayor que el DC de entrada, por lo tanto impulsar hacia arriba la tensión de alimentación. Convertidores Boost se utilizan a menudo en fuentes de alimentación para LED blanco, baterías para automóviles eléctricos y muchas otras aplicaciones. Un convertidor almacena energía en campo magnético de un inductor y transfiere a la carga con un circuito de conmutación. La transferencia de energía del campo de magnético del inductor permite el aumento en salida DC en una sola etapa. Este video se ilustra la construcción de un convertidor boost e investigar cómo el cambio de condición de funcionamiento del convertidor afecta su tensión de salida.

Este circuito de convertidor boost simple consiste en una fuente de voltaje de entrada DC conectada a un inductor y un interruptor. El interruptor puede ser un transistor bipolar, un MOSFET o, otro dispositivo electrónico similar que alternativamente se conecta y desconecta el inductor de la línea común de la fuente de alimentación. Un diodo de bloqueo conecta el inductor con un condensador que filtra la ondulación de la tensión de salida. Aumento de la capacitancia disminuye la ondulación. Para una capacidad suficientemente grande la salida se convierte en un voltaje de DC constante. Un tren de pulsos digital se abre o cierra el interruptor. El pulso tiene una relación de deber que es la relación entre el tiempo en el periodo. La relación deber puede variar de cero o aumentar a uno con cada vez más el tiempo. Cuando el pulso está encendido, el interruptor se cierra y el inductor está conectado a través de la tensión de alimentación. En este estado, el inductor terminal conectado a la salida de la fuente de alimentación tiene el potencial más alto y el terminal conectado en común tiene el potencial más bajo. Ahora actual atraviesa el inductor aumenta linealmente con el tiempo suficientemente altas frecuencias de conmutación. Durante este tiempo el voltaje del inductor es definido como positiva ya que la pendiente de la corriente versus tiempo es positivo. El inductor almacena energía proporcional al cuadrado de la corriente en su campo magnético. Cuanto más tiempo el inductor está conectado a la fuente de alimentación, los aumentos más actuales y más la energía que almacena. Cuando el interruptor se abre, la corriente por el inductor debe seguir fluyendo en la misma dirección. Esta corriente también disminuye porque el inductor ahora da energía a la carga. El voltaje del inductor se convierte en negativo porque la pendiente de la corriente frente al tiempo es negativa. Como resultado, polaridad de inductor gira y ahora añade a la fuente de voltaje "V en" producir un mayor potencial a la salida. El circuito en este estado, adelante predispone el diodo y las descargas de inductor actual, algunos van a la carga y algunos va al condensador que luego almacena la carga. Cuando el interruptor cierra otra vez el diodo se vuelve inversa parcial desconectar el inductor de la salida y evitando un cortocircuito de la carga. Durante este tiempo se recarga el inductor y en su lugar el condensador proporciona corriente a la carga. Este ciclo de carga y descarga del condensador produce un voltaje de salida promedio con alguna cantidad de ondulación. En suficientemente alta cambio de frecuencias, tiempos de descarga y carga del condensador son cortas y llega a la salida una tensión de estado estacionario con relativamente poca ondulación. Este ciclo de conmutación se repite indefinidamente y es la base del funcionamiento de convertidor boost. Idealmente el voltaje de salida promedio aumenta a medida que aumenta la relación de trabajo y una relación de deber de uno genera tensión infinita. Elementos sin embargo parásitos y resistencias en el convertidor valores útiles de D hasta un máximo de 0,7 o 0,8 límite. Si D es suficientemente grande, efectos parásitos dominan la operación de circuito y disminuciones de tensión de salida como D sigue aumentando. En los experimentos siguientes estudiaremos también cómo un convertidor intensifica voltaje en el modo de conducción continua, llamado CCM, una condición cuando el inductor funciona en todo momento no cero corriente.

La tensión de salida en este experimento está limitado a 50 volts DC o menos. Utilice sólo los ciclos de trabajo especificado, frecuencias, voltajes de entrada y cargas. Estos experimentos utilizan HiRel sistemas alimentación poste Junta diseñada para la experimentación con las topologías del circuito convertidor DC DC diferentes. Con el interruptor de la fuente de señal S90 apagado, conectar el +-12 voltios fuente de señal conector den J90. Ajuste el control PWM puentes selección J62 y J63 a la posición de lazo abierto. Ajuste la fuente de alimentación a 10 voltios positivos, pero no conecte la salida de la fuente de poder a la Junta. A continuación construir el circuito como se muestra con el MOSFET inferior, el diodo superior y el tablero magnético de BB. Registre el valor del inductor en el tablero magnético de BB. La resistencia de carga es un potenciómetro de potencia. Use un medidor multi para medir su resistencia y ajuste a 20 ohmios. Luego conectar el potenciómetro entre terminales V1 + y com Set interruptor selector Banco S30 como sigue: PWM a fondo MOSFET, usar PWM a bordo y desconectar la carga. Conectar sonda diferencial del osciloscopio entre el terminal 16 que es la puerta del MOSFET inferior y 12 terminal que es la fuente. Encienda el interruptor S90. El tren de pulso que el MOSFET debe aparecer en la pantalla del ámbito. Seleccione el eje del tiempo de alcance para mostrar varios períodos de esta forma de onda. Ajuste el potenciómetro de ajuste de frecuencia RV60 para producir una frecuencia de conmutación de 100 kilociclos. Ajuste el potenciómetro de relación de deber RV64 así que los pulsos tienen un tiempo de encendido de un microsegundo que corresponde a una relación de deber de 0.1.

Conectar la fuente de alimentación a los terminales de entrada de V2 + y COM. Para medir el inductor corriente Conecte la sonda diferencial alcance entre terminales CS5 y COM. Para medir el voltaje en la resistencia de carga RL, conectar la otra sonda diferencial entre los terminales V1 + y COM. La tensión de salida debe ser una onda triangular. Las rampas ascendentes se presentan cuando el interruptor del convertidor boost está abierto y el inductor es transferencia de energía a la carga. Las rampas hacia abajo ocurren cuando el interruptor está cerrado, el inductor es desconectado de la salida, y el condensador es el suministro de energía a la carga. El inductor de corriente es una onda triangular que rampas linealmente durante el tiempo en el tren de pulsos, luego rampas abajo linealmente durante el tiempo de apagado. El desplazamiento es la corriente media. Con el ámbito construido en funciones de medición, mida el valor medio de la tensión de salida y el valor medio del corriente del inductor. Repita estos pasos con la entrada DC fuente de alimentación para ocho, 12 y 14 voltios. Para una obligación fija relación a medida que la tensión de entrada aumenta la tensión de salida de un convertidor ideal debe aumentar proporcionalmente.

Esta parte del experimento mide la relación de deber del tren de pulsos en vez del corriente del inductor. Conecte las puntas de alcance entre los terminales 16 y 12, que son la fuente de puerta del MOSFET inferior respectivamente. Conecte la entrada fuente de alimentación a los bornes V2 + y COM. Como antes, la tensión de salida es una onda triangular por el inductor y el condensador alternativamente suministro de corriente a la carga. El voltaje de la fuente de gate de lo MOSFET es un tren de pulso digital con una frecuencia de 100 kHz, un período de 10 microsegundos y un tiempo de encendido de un microsegundo. Medir el valor medio de la tensión de salida y el tiempo de encendido de la puerta a lecturas de voltaje y tensión de la fuente junto con la corriente de entrada de la fuente de alimentación. Repita esta prueba después de potenciómetro deber relación RV64 así la secuencia de pulso tiene un en vez de dos, cuatro y seis microsegundos, que corresponden a las relaciones de trabajo de 0.2, 0.4 y 0.6 respectivamente.

Como relación de deber D aumenta, también aumenta la tensión de salida del convertidor boost. Idealmente si D tiene un valor de 0.2 una entrada de 10 voltios genera una salida de unos 12,5 voltios. Si D es 0.4 la salida sería aproximadamente 16,6 voltios. Si D es 0.6 la salida sería de 25 voltios. En general, la tensión de salida es menor de lo esperado de la relación ideal porque elementos parásitos crean caídas de tensión no ideal y pérdida de energía no contabilizada. Como la relación de trabajo acerca a uno, la tensión de salida teórica se vuelve infinitamente grande. En realidad, la tensión de salida está limitada a tres o cuatro veces el voltaje de entrada y la influencia de componentes parásitas e ideales no hace que la tensión de salida disminuir después D llega a ser suficientemente alto.

Convertidores Boost generan un voltaje de salida mayor que el voltaje de entrada y muchas aplicaciones incorporan para aumentar la flexibilidad en la elección de fuentes de energía. El voltaje de un panel solar cambia con la posición del sol, clima y sombra. Se usan convertidores Boost a la salida variable de una matriz de panel solar para proporcionar una tensión constante para alimentar una red eléctrica. Se utilizan con frecuencia sistemas de baterías para dispositivos de alimentación sin la utilización de un cable de alimentación. Con el fin de lograr la necesaria tensión de salida mayor, las pilas suelen ser apiladas. Esto puede tomar un montón de espacio si muchas células se necesitan para alcanzar el resultado deseado. En cambio, convertidores boost se utilizan para intensificar la tensión conservando el espacio.

Acabo de ver introducción de Zeus a los convertidores Boost. Ahora debe entender como trabajo de convertidores boost y cómo ajustar de entrada tensión, relación de deber y la frecuencia afecta el voltaje de salida. Gracias por ver.

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE