Overview
מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.
אמנם זה פשוט להגביר או למטה מתחי AC וזרמים באמצעות שנאים, צעד למעלה או למטה מתחי DC וזרמים בצורה יעילה ומוסדרת דורשת ממירי כוח מיתוג. ממיר DC/DC Buck חותך את מתח DC הקלט באמצעות מתג כניסה סדרה, ואת המתח הקצוץ מסונן דרך מסנן L-C נמוך לעבור כדי לחלץ את מתח היציאה הממוצע. הדיודה מספקת נתיב עבור זרם המשרן כאשר המתג כבוי עבור חלק מתקופת המיתוג. מתח היציאה הוא זה פחות או שווה למתח הכניסה.
מטרת הניסוי היא לחקור מאפיינים שונים של ממיר באק. יכולת הירידה של הממיר תיצפה במצב הולכה רציף (CCM) שבו זרם המשרן אינו אפס. ייעשה שימוש בפעולת לולאה פתוחה עם יחס חובה קבוע באופן ידני. הערכה של יחסי הקלט-פלט תיבחן.
Principles
רגולטורים ליניאריים (סדרה ודלף) יכולים לספק יכולת הורדה, אך הם מאוד לא יעילים כאשר יחס מתח היציאה לקלט נמוך מאוד. חוצבי מתח יכולים גם לרדת מתח DC, עם זאת, אין רגולציה המעורבת בעומסים משתנים. ממירי Buck מציגים אפוא יכולות מיתנה יעילות וחזקות של מתח DC.
על מנת לבנות ממיר באק, אנו יכולים להתחיל עם המעגל המוצג להלן בתמונה. 1(א). כאשר המתג מופעל עבור חלק (D) של תקופת המיתוג (T), מתח היציאה (Vo) ומתחהכניסה( V in ) שווים. כאשר המתג כבוי עבור חלק (1-D)של התקופה, מתח היציאה הוא אפס. זה מייצר מתח יציאה גל מרובע שהממוצע שלו (מוצג על ידי סוגריים < >) הוא פחות מזה של מתח הכניסה:
על מנת למזער את אדווה זרם היציאה, וכך אדווה מתח היציאה עם עומס התנגדותי, משרן מתווסף כפי שמוצג ב איור 1(ב). הבעיה עם משרן היא שהוא שומר על זרימת הזרם עד שכל האנרגיה המאוחסנת שלו משתחררת, כך שאם המתג מכבה, dI/ dt גדול יתרחש על פני המתג מאז הזרם צריך לזרום. לכן, דיודה חופשית מתווספת כדי לספק נתיב נוכחי משרן כפי שמוצג ב איור 1(ג). עם זאת, שראתו של המשרן תצטרך להיות גדולה מאוד על מנת שיהיה אדווה נמוכה מאוד של מתח יציאה, ויש להוסיף קבל כדי להקטין את גודל המשרן ולספק יציאת מתח DC נקייה בעומס כפי שמוצג ב- Fig. 1(d).
איור 1. צעדים לבניית ממיר דולר
ככל שניסוי זה מתקדם, נראה כי מתח היציאה הממוצע יגדל ככל שמחזור החובה, D, עולה. עם תדרי מיתוג גבוהים יותר, אדווה המתח בפלט תקטן מכיוון שזמן הטעינה והפירוק של המתח הקבלי יתקצר משמעותית עם ירידה בתדר המיתוג.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
ניסוי זה ישתמש בלוח הממיר DC-DC המסופק על ידי HiRel Systems. http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
מידע על פעולת הלוח ניתן למצוא בסרטון אוספים זה "מבוא ללוח HiRel".
ההליך המוצג כאן חל על כל מעגל ממיר באק פשוט שניתן לבנות על לוחות פרוטו, לוחות לחם או מעגלים מודפסים.
1. הגדרת לוח
- חבר את אספקת האות ±12 במחבר "DIN" אך השאר את "S90" כבוי.
- ודא שבוחר הפקדים PWM נמצא במיקום הלולאה הפתוחה.
- הגדר את ספק הכוח DC ב- 24 V. שמור על הפלט מנותק מהלוח.
- לפני חיבור נגד העומס, התאמת אותו ל 12 Ω.
- בנה את המעגל המוצג ב- Fig. 2 באמצעות MOSFET העליון, הדיודה התחתונה, ולוח מגנטי BB. הקלט את ערך האידוי המוצג בלוח. שים לב שללוח המגנטי של BB יש משרן עם שני מסופים המתחברים ללוח ממיר DC-DC (עמוד חשמל).
- חבר את "RL"על פני "V2+" ו-"COM".
- ודא שמערך המתגים עבור בחירת MOSFET, בחירת PWM והגדרות אחרות מוצגות ב- Fig. 2.
איור 2. מעגל ממיר באק
2. התאמת יחס החובה ותדירות המיתוג
- חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית מעבר לשער למקור של MOSFET העליון.
- הפעל את "S90". אות מיתוג אמור להופיע על מסך האוסצילוסקופ.
- התאם את ציר זמן האות כדי לראות שתיים או שלוש תקופות.
- התאם את פוטנציומטר התדר כדי להשיג תדר של 100 קילו-הרץ (תקופה של 10μs).
- התאם את פוטנציומטר יחס החובה כדי להשיג יחס חובה של 50%.
3. בדיקת ממיר באק עבור קלט משתנה
- חבר את ספק הכוח DC הקלט, אשר כבר מוגדר ב 24 V, כדי "V1+ " ו "COM".
- חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית מעבר לשער למקור של MOSFET העליון.
- חבר את הגשוש השני על פני העומס. ודא שמחבר הקרקע מחובר ל-"COM".
- לכוד את צורות הגל ומדוד את ממוצע מתח היציאה ובזמן של מתח השער למקור (גם יחס החובה).
- הקלט את קריאות זרם הכניסה והמתח באספקת החשמל DC.
- התאם את מתח הכניסה ל- 21 V, 18 V ו- 15 V, וחזור על השלבים לעיל עבור כל אחד מהמתחים הללו.
- נתק את אספקת DC הקלט והתאם את הפלט שלו ל- 24 V.
4. בדיקת ממיר באק ליחס חובה משתנה
- חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית מעבר לשער למקור של MOSFET העליון.
- חבר את הגשוש השני על פני העומס. ודא שמחבר הקרקע מחובר ל-"COM".
- חבר את אספקת DC הקלט המוגדרת ל- 24 V בין "V1+" ל- "COM".
- לכוד את צורות הגל ומדוד את ממוצע מתח היציאה ובזמן של מתח השער למקור (גם יחס החובה).
- הקלט את קריאות זרם הכניסה והמתח באספקת החשמל DC.
- התאם את יחס החובה לשלושה שלבים לפי בחירתך בין 30% ל- 70%. חזור על השלבים לעיל עבור כל אחד משלושת יחסי החובה הללו.
- אפס את יחס החובה ל- 50%.
- נתק את אספקת DC הקלט.
5. בדיקת ממיר Buck לתדר מיתוג משתנה
- חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית מעבר לשער למקור של MOSFET העליון.
- חבר את הגשוש השני על פני העומס. ודא שמחבר הקרקע מחובר ל-"COM".
- חבר את אספקת DC הקלט ל- "V1+" ו- "COM".
- לכוד את צורות הגל ומדוד את ממוצע מתח היציאה ובזמן של מתח השער למקור (גם יחס החובה).
- הקלט את זרם הכניסה ואת קריאת המתח באספקת החשמל DC.
- התאם את תדר המיתוג לשלושה שלבים לפי בחירתך בין 5 קילו-הרץ ל-40 קילו-הרץ. חזור על השלבים לעיל עבור כל אחד משלושת יחסי החובה הללו.
- כבה את אספקת DC הקלט ואת "S90", ולאחר מכן לפרק את המעגל.
ממירי Buck יוצרים מתח יציאה DC שהוא פחות מהקלט DC. במילים אחרות, קורס או מוריד את מתח האספקה. מווסתים ליניאריים נפוצים לרדת מתח על ידי פיזור כוח כמו חום נגד, אשר הופך מאוד לא יעיל עם הבדלים גדולים בין מתחי הכניסה והפלט. בעוד רכיבים התנגדותיים לבזבז כוח באמצעות חימום ג'אול, ממירי buck להשתמש ברכיבים תגובתי כי באופן אידיאלי לפזר שום כוח וכתוצאה מכך יכול להפחית ביעילות את המתח עם עלייה מקבילה בזרם זמין. בממיר buck, מתג לוכד את אספקת DC כדי ליצור את קלט AC למסנן מעבר נמוך. מסנן המעבר הנמוך מורכב משרן וקבל ומחלץ את המתח הממוצע עם הפסדים קטנים בלבד עקב התנגדויות טפיריות. התוצאה היא מתח יציאה קטן או שווה למתח הכניסה. וידאו זה ימחיש את בנייתו של ממיר buck ולחקור כיצד שינוי מצב ההפעלה הממירים משפיע על מתח היציאה שלה.
מעגל ממיר buck זה משתמש במתג אלקטרוני כדי לחבר ולנתק משרן מספק הכוח DC. מתג זה אולי טרנזיסטור דו קוטבי, MOSFET או מכשיר אלקטרוני דומה אחר. המשרן וקבל מהווים מסנן מעבר נמוך עם דיודה כדי לספק נתיב לזרם המשרן כאשר המתג פתוח. הפלט של מסנן המעבר הנמוך מחובר לעומס. רכבת דופק דיגיטלית פותחת או סוגרת את המתג עם יחס חובה, D, שהוא היחס בין הזמן בזמן לתקופה. כאשר המתג סגור, הכניסה למסנן המעבר הנמוך מחוברת למתח האספקה, V in. הדיודה הופכת מוטה הפוכה ואינה מתנהלת והזרם זורם דרך המשרן. כאשר הבורר פתוח, זרם משרן זה חייב להמשיך באותו כיוון והדיודה הופכת מוטה קדימה כדי ליצור לולאה נוכחית מלאה. בקלט למסנן המעבר הנמוך, קומוטציה מתג זה מייצרת גל מלבני המתנדנד בין V בכאפס וולט. למעט אדווה מסוימת, הפלט של המסנן הוא הממוצע של הגל המלבני, אשר גדל ככל שיחס החובה גדל. בתדרי מיתוג גבוהים מספיק, הקבלים נטענים ושעות הפריקה קצרות. אז אדווה המתח הופכת לקטנה והתוצאה היא יציאת DC נקייה שנרדה מהקלט DC. מכיוון שהמשרן והקבל הם רכיבים תגובתיים, באופן אידיאלי אין להם אובדן כוח התנגדותי. מסנן LC האידיאלי אז הוא מסוגל להעביר כוח לעומס עם יעילות 100%. במציאות, ההתנגדות התיל של המשרן התנגדויות טפיריות אחרות במעגל, להפחית את היעילות לטווח של 80 עד 95%. כעת, לאחר שנדונו היסודות של ממיר באק, בואו נסתכל כיצד ממיר באק יורד במתח וממשיך כמצב הוללה, הנקרא גם CCM, מצב שבו המשרן פועל בכל עת עם זרם שאינו אפס.
ניסויים אלה משתמשים בלוח עמודי הכוח HiRel Systems המיועד לניסויים עם טופולוגיות שונות של מעגל ממיר DC עד DC. התחל על-ידי הבטחת מתג אספקת האות, S90 כבוי. לאחר מכן חבר את אספקת האות למחבר DIN J90. הגדר את מגשי הבחירה של פקדי PWM, J62 ו- J63 למיקום הלולאה הפתוחה. התאם את ספק הכוח DC ל- 24 וולט חיובי אך אל תחבר את פלט ספק הכוח ללוח. בנה את המעגל עם MOSFET העליון, הדיודה התחתונה ואת הלוח המגנטי BB. תעד את הערך של המשרן בלוח המגנטי של BB. RL נגד עומס הוא פוטנציומטר כוח. השתמש בריבוי מטר כדי לקרוא את ההתנגדות שלו תוך התאמתו ל- 12 אוהם. לאחר מכן חבר את נגד העומס בין מסופים V2+ ו- COM. הגדר בורר מתגים בנק S30 כדלקמן. PWM ל- MOSFET העליון, השתמש ב- PWM מובנה וכבה את העומס. לאחר מכן, חבר את הגשושית הדיפרנציאלית של האוסצילוסקופים בין טרמינל 15, שהוא השער של MOSFET העליון וטרמינל 11, שהוא המקור. הפעל את מתג אספקת האות, S90 והתבונן ברכבת הדופק המניעה את MOSFET. הגדר את פוטנציומטר התאמת התדר, RV60 כדי לייצר תדר מיתוג של 100 קילוהרץ. הגדר את פוטנציומטר יחס החובה, RV63 כך שלפולסים יש זמן של חמש מיקרו-שניות.
שמור על גשושית טווח דיפרנציאלי מחובר בין מסופים 15 ו -11, שהם השער והמקור של MOSFET העליון בהתאמה. כדי למדוד מתח על פני נגד עומס, RL, חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית האחרת בין מסופים V2+ ו- COM. חבר את ספק הכוח DC למסופי קלט, V1+ ו- COM. שים לב לצורת הגל המשולש עבור מתח היציאה ורכבת הדופק המלבנית של אות המיתוג. הרמפות כלפי מעלה של מתח היציאה מתרחשות כאשר מתג ממיר buck סגור והמשרן מעביר אנרגיה לקבל ולעומס. הרמפות כלפי מטה מתרחשות כאשר המתג פתוח, המשרן מנותק ממקור מתח הכניסה והקבל מוותר על קצת אנרגיה מאוחסנת לעומס. לאחר מכן, למדוד את הערך הממוצע של מתח היציאה ואת הזמן של מתח מקור השער. שים לב לקריאות זרם הכניסה והמתח מספק הכוח DC. חזור על בדיקה זו לאחר התאמת פוטנציומטר יחס החובה, RV64 כך שלרכבת הדופק יש יחסי חובה של 0.4, 0.6 ו- 0.7. ככל שיחס החובה D גדל, מתח היציאה הממוצע של ממיר באק גדל גם הוא. באופן אידיאלי, אם D יש ערך של 0.3, אז קלט של 24 וולט מייצר פלט של כ 7.2 וולט. כמו כן, אם D הוא 0.5, אז הפלט יהיה על 12 וולט או אם D הוא 0.7, אז הפלט יהיה על 16.8 וולט וכן הלאה.
הגדר את יחס החובה ל- 0.5 ולאחר מכן חבר את אספקת DC הקלט למסופים V1+ ו- COM. הגדר RV60 כדי להפיק תדר מיתוג של 100 קילוהרץ. כמו קודם, צורת גל מתח היציאה היא גל משולש הנובע ממסנן המעבר הנמוך הפועל על קלט הגל המלבני. מתח מקור השער הוא רכבת דופק דיגיטלית בתדר של 100 קילוהרץ. תקופה של 10 מיקרו-שניות ובזמן של חמש מיקרו-שניות. מדוד את הערך הממוצע של מתח היציאה ואת הזמן של השער למתח המקור. שים לב לקריאות זרם הכניסה והמתח מספק הכוח DC. חזור על בדיקה זו לאחר התאמת RV60 לתדר מיתוג של 10, 20 ו 40 קילוהרץ עם יחס החובה קבוע ב 0.5. ככל שתדירות הגידול, אדווה הפלט פוחתת מכיוון שגם טעינת הקבלים ושעות הפריקה פוחתות. באופן כללי, מתח היציאה הוא בניסוי זה הם פחות מהצפוי מן היחסים האידיאליים. סטייה זו היא תוצאה של אלמנט טפשי כגון התנגדות תיל ב משרן והתנגדות אחרת במעגל, אשר יוצרים ירידות מתח לא אידיאליות ואובדן אנרגיה נעדר.
ממיר Buck מספק ויסות מתח מבוקר היטב עם עלייה נלווית בזרם, מה שהופך אותם קריטיים עבור יישומים הנוגעים לאובדן כוח מינימלי בתהליך ההמרה. צריכת החשמל במחשבים ניידים ירדה מאוד עקב פיתוח של מיקרו מעבדים הפועלים עם רק 1.8 או 0.8 וולט. מחשבים ניידים והתקנים נשלטים מרחוק משתמשים בממירי buck כדי להפחית את המתח של סוללות ליתיום לערכים נמוכים אלה, מאריכים את חיי הסוללה השימושיים ומגבירים את זרם הסוללה כדי לספק את הצרכים של מעגלים משולבים עם מיליוני טרנזיסטורים. מכשירים אלקטרוניים כגון טלפונים סלולריים משתמשים בסוללות ליתיום יון עם מתח תא נומינלי, כ-3.6 עד 3.7 וולט. עם זאת, מטעני סוללה סטנדרטיים עם מחברי USB מספקים חמישה וולט. ממיר buck בהתקן האלקטרוני יורד את יציאת ה- USB למתח התחתון הנדרש לטעינת סוללת הליתיום יון.
הרגע צפית בהקדמה של יובה לממירי באק. כעת עליך להבין את פעולתם וכיצד פלט DC תלוי ביחס החובה ובתדירות המיתוג. תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
צפוי יחסי מתח היציאה-כניסה של ממיר buck אידיאלי להיות קשור מחזור החובה או יחס החובה D. אם מתח הכניסה הוא Vב ומתח היציאה הוא Vהחוצה, V החוצה/Vב = D,שבו 0≤D≤ 100%. לכן, עבור מתח כניסה של 24 V, Vהחוצה≈ 12 V עבור D = 50%, Vout≈ 7.2 V עבור D = 30%, ו- Vהחוצה≈ 16.8 V עבור D = 70%. עם זאת, מתח היציאה יהיה נמוך מהצפוי מהיחס האידיאלי, שהוא ליניארי עם יחס החובה, והסיבה העיקרית היא כי מודל ממיר buck האידיאלי אינו מסביר את אי האידיאליות וירידות מתח בממיר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ממירי Buck נפוצים מאוד במטעני מכשירים אלקטרוניים שבהם הם מספקים ויסות מתח מעולה הנדרש לטעינת סוללה. הם משמשים בדרך כלל ספקי כוח כי מחשבי כוח, מעגלים משולבים ולוחות אלקטרוניים, כמו גם ביישומי אנרגיה מתחדשת ומערכות האכלת סוללה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
