Convertitore buck (riduttore) DC-DC

I convertitori Buck generano una tensione di uscita CC inferiore all'ingresso CC. In altre parole, allacciare o diminuire la tensione di alimentazione. I regolatori lineari comunemente usati abbassano la tensione dissipando la potenza come calore in un resistore, che diventa molto inefficiente con grandi differenze tra le tensioni di ingresso e di uscita. Mentre i componenti resistivi sprecano energia attraverso il riscaldamento joule, i convertitori buck utilizzano componenti reattivi che idealmente non dissipano energia e di conseguenza possono ridurre in modo efficiente la tensione con un corrispondente aumento della corrente disponibile. Nel convertitore buck, un interruttore intrappola l'alimentazione CC per creare l'ingresso CA a un filtro passa-basso. Il filtro passa-basso è costituito da un induttore e un condensatore ed estrae la tensione media con solo piccole perdite dovute alle resistenze parassitarie. Il risultato è una tensione di uscita inferiore o uguale alla tensione di ingresso. Questo video illustrerà la costruzione di un convertitore buck e indagherà su come la modifica delle condizioni operative dei convertitori influisce sulla sua tensione di uscita.

Questo circuito buck converter utilizza un interruttore elettronico per collegare e scollegare un induttore dall'alimentazione CC. Questo interruttore potrebbe essere un transistor bipolare, un MOSFET o un altro dispositivo elettronico simile. L'induttore e un condensatore costituiscono un filtro passa-basso con un diodo per fornire un percorso per la corrente dell'induttore quando l'interruttore è aperto. L'uscita del filtro passa-basso è collegata al carico. Un treno di impulsi digitali apre o chiude l'interruttore con un rapporto di servizio, D, che è il rapporto tra il tempo di accensione e il periodo. Quando l'interruttore è chiuso, l'ingresso al filtro passa-basso è collegato alla tensione di alimentazione, V in. Il diodo diventa polarizzato inverso e non conduce e la corrente scorre attraverso l'induttore. Quando l'interruttore è aperto, questa corrente dell'induttore deve continuare nella stessa direzione e il diodo diventa polarizzato in avanti per formare un ciclo di corrente completo. All'ingresso del filtro passa-basso, questa commutazione dell'interruttore produce un'onda rettangolare che oscilla tra V in circa zero volt. Fatta eccezione per qualche ondulazione, l'uscita del filtro è la media dell'onda rettangolare, che aumenta all'aumentare del rapporto di lavoro. A frequenze di commutazione sufficientemente elevate, i tempi di carica e scarica dei condensatori sono brevi. Quindi l'ondulazione di tensione diventa piccola e il risultato è un'uscita CC pulita abbassata dall'ingresso CC. Poiché l'induttore e il condensatore sono componenti reattivi, idealmente non hanno perdite di potenza resistiva. Il filtro LC ideale è quindi in grado di passare la potenza al carico con un'efficienza del 100%. In realtà, la resistenza del filo dell'induttore e altre resistenze parassitarie nel circuito, riducono l'efficienza nell'intervallo dall'80 al 95%. Ora che le basi del convertitore buck sono state discusse, diamo un'occhiata a come un convertitore buck abbassa la tensione e continua come modalità di conduzione, chiamata anche CCM, una condizione in cui l'induttore funziona in ogni momento con corrente diversa da zero.

Questi esperimenti utilizzano la scheda del polo di potenza HiRel Systems, progettata per la sperimentazione con varie topologie di circuiti di conversione da CC a CC. Inizia assicurandoti che l'interruttore di alimentazione del segnale, S90 sia spento. Quindi collegare l'alimentazione del segnale al connettore DIN J90. Impostare i ponticelli di selezione del controllo PWM, J62 e J63 sulla posizione ad anello aperto. Regolare l'alimentazione CC a 24 volt positivi, ma non collegare l'uscita dell'alimentatore alla scheda. Costruisci il circuito con il MOSFET superiore, il diodo inferiore e la scheda magnetica BB. Registrare il valore dell'induttore sulla lavagna magnetica BB. Il resistore di carico RL è un potenziometro di potenza. Usa un multimetro per leggere la sua resistenza mentre lo regoli a 12 ohm. Quindi collegare la resistenza di carico tra i terminali V2+ e COM. Impostare il banco di selezione degli interruttori S30 come segue. PWM al MOSFET superiore, utilizzare PWM integrato e carico spento. Quindi, collegare la sonda differenziale dell'oscilloscopio tra il terminale 15, che è il cancello del MOSFET superiore e il terminale 11, che è la sorgente. Accendere l'interruttore di alimentazione del segnale, S90 e osservare il treno di impulsi che aziona il MOSFET. Impostare il potenziometro di regolazione della frequenza, RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Impostare il potenziometro del rapporto di servizio, RV63 in modo che gli impulsi abbiano un tempo di cinque microsecondi.

Mantenere la sonda dell'oscilloscopio differenziale collegata tra i terminali 15 e 11, che sono rispettivamente il cancello e la sorgente del MOSFET superiore. Per misurare la tensione attraverso il resistore di carico, RL, collegare l'altra sonda differenziale tra i terminali V2+ e COM. Collegare l'alimentatore CC ai terminali di ingresso, V1+ e COM. Osservare la forma d'onda triangolare per la tensione di uscita e il treno di impulsi rettangolare del segnale di commutazione. Le rampe verso l'alto della tensione di uscita si verificano quando l'interruttore del convertitore buck è chiuso e l'induttore trasferisce energia al condensatore e al carico. Le rampe verso il basso si verificano quando l'interruttore è aperto, l'induttore viene scollegato dalla sorgente di tensione di ingresso e il condensatore sta cedendo parte dell'energia immagazzinata al carico. Quindi, misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di puntualità della tensione della sorgente gate. Prendere nota delle letture di corrente e tensione di ingresso dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato il potenziometro del rapporto di servizio, RV64 in modo che il treno di impulsi abbia rapporti di servizio di 0,4, 0,6 e 0,7. All'aumentare del rapporto di servizio D, aumenta anche la tensione di uscita media del convertitore buck. Idealmente, se D ha un valore di 0,3, allora un ingresso di 24 volt genera un'uscita di circa 7,2 volt. Allo stesso modo, se D è 0,5, l'uscita sarebbe di circa 12 volt o se D è 0,7, allora l'uscita sarebbe di circa 16,8 volt e così via.

Impostare il rapporto di servizio su 0,5 e quindi collegare l'alimentazione CC in ingresso ai terminali V1+ e COM. Impostare RV60 per produrre una frequenza di commutazione di 100 kilohertz. Come prima, la forma d'onda della tensione di uscita è un'onda triangolare risultante dal filtro passa-basso che agisce sull'ingresso dell'onda rettangolare. La tensione della sorgente gate è un treno di impulsi digitali con una frequenza di 100 kilohertz. Un periodo di 10 microsecondi e un tempo di cinque microsecondi. Misurare il valore medio della tensione di uscita e il tempo di funzionamento della tensione gate-to source. Prendere nota delle letture di corrente e tensione di ingresso dall'alimentatore CC. Ripetere questo test dopo aver regolato RV60 su una frequenza di commutazione di 10, 20 e 40 kilohertz con il rapporto di servizio fissato a 0,5. All'aumentare della frequenza, l'ondulazione di uscita diminuisce perché diminuiscono anche i tempi di carica e scarica del condensatore. In generale, la tensione di uscita in questo esperimento è inferiore al previsto dalla relazione ideale. Questa deviazione è il risultato di elementi parassiti come la resistenza del filo nell'induttore e altre resistenze nel circuito, che creano cadute di tensione non ideali e perdite di energia non contabilizzate.

Il convertitore Buck fornisce una regolazione della tensione ben controllata con un conseguente aumento di corrente, rendendoli cruciali per le applicazioni che riguardano la minima perdita di potenza nel processo di conversione. Il consumo energetico nei laptop è diminuito notevolmente a causa dello sviluppo di microprocessori che funzionano con soli 1,8 o 0,8 volt. I laptop e i dispositivi telecomandati utilizzano convertitori buck per ridurre la tensione delle batterie al litio a questi valori bassi, prolungando la durata utile della batteria e aumentando la corrente della batteria per soddisfare le esigenze dei circuiti integrati con milioni di transistor. I dispositivi elettronici come i telefoni cellulari utilizzano batterie agli ioni di litio con una tensione nominale della cella, da circa 3,6 a 3,7 volt. Tuttavia, i caricabatterie standardizzati con i connettori USB forniscono cinque volt. Un convertitore buck nel dispositivo elettronico abbassa l'uscita USB alla tensione inferiore richiesta per caricare la batteria agli ioni di litio.

Hai appena visto l'introduzione di Jove ai convertitori buck. Ora dovresti capire il loro funzionamento e come l'uscita CC dipende dal rapporto di servizio e dalla frequenza di commutazione. Grazie per l'attenzione.