Overview
ソース: アリ バッツィ、電気工学科大学コネチカット州ストーズ、ct 検査
それは AC 電圧および電流トランスフォーマーを使用して上下の手順に単純ですが、効率的な規制方法に DC 電圧と電流の上下をステップ スイッチング電力変換回路が必要です。DC/DC 降圧型コンバーター チョップ シリーズの入力スイッチを使用して入力直流電圧とみじん切りの電圧、平均出力電圧 L C 低域通過フィルターでろ過します。ダイオードは、インダクタのスイッチング期間の部分に、スイッチがオフのときは、現在のパスを提供します。出力電圧は入力電圧以下これはします。
この実験の目的は、降圧形コンバーターのさまざまな特性を研究することです。降圧コンバーターの機能は連続伝導モード (CCM) インダクタ電流がゼロ以外の下で観測されます。手動で設定デューティ比とオープン ループ操作が使用されます。入出力関係の近似は観察されます。
Principles
リニア ・ レギュレータ (シリーズ ・ シャント) 降圧型の機能を提供できますは、出力・入力電圧比率が非常に低いとき、非常に効率的。電圧ディバイダーを DC 電圧をステップ、しかし、ない規制変動荷重に関連します。降圧コンバーターしたがって、効率的で堅牢な DC 電圧ステップ ダウン機能を提示します。
降圧型コンバーターを作成するために下の図 1 (a) に示す回路を始まることができます。スイッチング周期 (T) の部分 (D) スイッチがオンのときは、出力電圧 (Vo) と (Vの入力電圧が等しい。期間の部分 (1 D) のスイッチがオフのとき、出力電圧がゼロです。これは (ブラケット < > で表示) の平均は、入力電圧より低い矩形波出力電圧を生成する: < Vo> VoD + Vo(1 D) を = = VのD + 0(1-D) VでD =
最小限にするために出力電流リップルおよびこうして出力電圧リップルと抵抗負荷、インダクタは、図 1(b) に示すように追加されます。インダクタの問題は、それ維持すること現在のフローのすべての蓄積されたエネルギーが解放されるまでスイッチはオフ、大規模なディ/dt場合はスイッチ間電流が流れにしていますので、です。したがって、自由奔放なダイオードは、図 1(c) に示すように、インダクタ電流パスを提供するために追加されます。インダクタのインダクタンスが非常に低い出力電圧リップルを持つために非常に大きなする必要があり、インダクタのサイズを小さくし、図 1(d) に示すように、負荷時出力クリーンな DC 電圧を供給するコンデンサーを追加必要があります。
図 1。降圧型コンバーターの構築手順
この実験が進むにつれて、平均出力電圧がD、デューティ サイクルが増加するにつれて増加することが表示されます。高いスイッチング周波数、出力電圧リップル電圧の充電以来減るし、コンデンサー放電時は大幅減少スイッチング周波数と短くなります。
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Procedure
この実験は、ある HiRel Systems によって提供される DC-DC コンバーター ボードを利用します。http://www.hirelsystems.com/shop/Power-Pole-Board.html
このコレクションのビデオ ボードの操作についての情報を見つけることができます「HiRel ボード入門」
ここに示す手順は、プロト ボード、パン板やプリント基板に内蔵することができます単純な降圧コンバーター回路に適用されます。
1. ボードのセットアップ
- "DIN"コネクタで ± 12 信号電源を接続が「S90」OFF。
- PWM コントロール セレクターがオープン ループ位置にあることを確認します。
- 出力基板から切断維持対 24 で DC 電源アダプターを設定します。
- 負荷抵抗を接続する前に 12 Ω に調整します。
- 上の MOSFET、下側のダイオードと BB 磁気ボードを使用して、図 2 に示す回路を構築します。掲示板に表示されるインダクタンス値を記録します。DC-DC コンバーター (電柱) 基板に接続 2 つの端子を持つインダクタを BB 磁気ボードには注意してください。
- 「RL」の間で"V2 +"および"com"を接続します。
- MOSFET 選択、PWM のスイッチ配列を確認し、その他の設定は、図 2 に示します。
図 2.降圧コンバーター回路
2 デューティ比の調整とスイッチング周波数
- 上の MOSFET のソースにゲートの間で差動プローブを接続します。
- 「S90」オンにスイッチング信号は、オシロ スコープのスクリーンに表示されます。
- 2 つまたは 3 つの期間を確認する信号の時間軸を調整します。
- 周波数 100 kHz (10 μ s の期間) を達成するために周波数設定器を調整します。
- 50% デューティ比を達成するためにデューティ比ポテンショメータを調整します。
3. 降圧型コンバーター変数入力テスト
- 24 V、「V1 +」および「com してください」に選択されている入力 DC 電源アダプターを接続します。
- 上の MOSFET のソースにゲートの間で差動プローブを接続します。
- 負荷の間で他のプローブに接続します。グランド コネクタが"COM"に接続されていることを確認します。
- 波形をキャプチャし、出力電圧平均とゲート-ソース間電圧 (またデューティ比) の時間に測定します。
- 入力電流と直流電源の電圧の測定値を記録します。
- 21 V、18 V、15 V、入力電圧を調整し、これらの電圧ごとに上記の手順を繰り返します。
- DC の供給および調整、出力 24 V を入力を外します。
4. 降圧型コンバーター可変デューティ比のテスト
- 上の MOSFET のソースにゲートの間で差動プローブを接続します。
- 負荷の間で他のプローブに接続します。グランド コネクタが"COM"に接続されていることを確認します。
- 24 V「V1 +」と"COM"の間に設定されている入力の DC アダプターを接続します。
- 波形をキャプチャし、出力電圧平均とゲート-ソース間電圧 (またデューティ比) の時間に測定します。
- 入力電流と直流電源の電圧の測定値を記録します。
- 30% と 70% の間お好みの 3 つのステップのデューティ比を調整します。これら 3 つのデューティ比の各上記の手順を繰り返します。
- デューティ比を 50% にリセットします。
- DC 電源を外します。
5. 降圧型コンバーターのスイッチング周波テスト
- 上の MOSFET のソースにゲートの間で差動プローブを接続します。
- 負荷の間で他のプローブに接続します。グランド コネクタが"COM"に接続されていることを確認します。
- 「V1 +」および"COM"に DC 電源を接続します。
- 波形をキャプチャし、出力電圧平均とゲート-ソース間電圧 (またデューティ比) の時間に測定します。
- レコード入力電流と電圧の DC 電源で読み取りを指定します。
- 5 kHz から 40 kHz までお好みの 3 つのステップのスイッチング周波数を調整します。これら 3 つのデューティ比の各上記の手順を繰り返します。
- 入力 DC 供給および「S90」を切り、その後、回路を逆アセンブル。
降圧コンバーターは、DC 入力より小さい DC の出力電圧を生成します。つまり、ダウン座屈または供給電圧を減少します。一般的に使用されるリニア ・ レギュレータは、入力と出力電圧の差が大きい非常に非能率的になる、抵抗で熱として電力を消費電圧ダウン ステップします。抵抗コンポーネント ジュール加熱を介して電力を無駄に、理想的に電力消費なし、したがって使用可能な電流の対応する増加との電圧を減らすことができます効率的に反応性コンポーネントを使用降圧コンバーター。降圧型コンバーターでは、スイッチは DC 供給を AC のローパス フィルターへの入力を作成するをトラップします。ローパス フィルターは、インダクタとコンデンサーで構成し、寄生抵抗による小さな損失と平均電圧を抽出します。結果は入力の電圧以下の出力電圧です。このビデオは降圧コンバーターの構造を示すため、その出力電圧コンバーターの動作状態を変更するしくみを調べる。
この降圧コンバーター回路はインダクタを DC 電源から切断する電子スイッチを使用します。これは多分、バイポーラ トランジスタ、MOSFET または他の同様の電子デバイスを切り替えます。インダクタとコンデンサーは現在スイッチが開いているときにインダクタのパスを提供するためにダイオードをローパス フィルターを構成します。ローパス フィルターの出力は、負荷に接続されます。デジタル パルス列を開くか期間への時間の比率であるデューティ比 D とスイッチを閉じます。スイッチを閉じると、ローパス フィルターへの入力は電源電圧、V に接続されます。ダイオードが電流が流れるコイルと逆バイアスしは行われません。スイッチが開いているときこのインダクタ電流が同じ方向で続ける必要があり、ダイオードになる完全な電流ループを形成するフォワード バイアスであります。ローパス フィルターへの入力でこのスイッチ通勤約 0 v の V の間で揺れる矩形波が生成されます。いくつかの波及を除くフィルターの出力は、デューティ比が増加するにつれて増加する矩形波の平均です。十分に高いスイッチング周波数、コンデンサーの充電と放電時間が短いです。だから電圧リップルが小さくなるし、DC 入力から辞任しクリーンな DC 出力が作成されます。インダクタおよびキャパシタは反応性コンポーネントであるために理想的にあるない抵抗電力損失。理想の LC フィルターは、100% の効率で電力を負荷に渡すことができます。現実、インダクタの線の抵抗、回路の他の寄生抵抗、80 ~ 95% の範囲に効率を減らします。降圧コンバーターの基礎を議論されていた、今では電圧の降圧型コンバーターの手順を見てみましょう、CCM、状態は、ゼロ以外の現在のすべての回でのインダクタ動作とも呼ばれる伝導モードとして継続してみましょう。
これらの実験は、さまざまな DC に DC コンバーター回路トポロジーとの実験のために設計されているある HiRel Systems 電源ポール基板を利用します。信号供給を切り替えることにより開始、S90 はオフです。その後、信号供給を J90 DIN コネクタに差し込みます。選択ジャンパー、J62 とオープン ループ位置に J63 PWM 制御を設定します。正の 24 ボルト DC 電源を調整するが、基板に電源の出力を接続しないでください。上の MOSFET、下側のダイオード BB マグネット ボードと回路を構築します。BB 磁性基板上インダクタの値を記録します。負荷抵抗 RL は、電力ポテンショメータです。マルチメータを使用して 12 オームに調整しながら、その抵抗を読み取る。V2 + および COM. セット セレクター バンク S30 を次のようにスイッチの端子間の負荷抵抗を接続します。上の MOSFET に PWM は、オンボード PWM を使用し、負荷をオフにします。次に、ソースである上部の MOSFET およびターミナルの 11 のゲートであるターミナル 15 間のオシロ スコープの差動プローブを接続します。信号電源スイッチ、S90 をオンにし、列車はその MOSFET パルスを確認します。周波数調整ポテンショメータ、100 キロ ヘルツの周波数を生成する RV60 を設定します。デューティ比ポテンショメータ、パルス 5 マイクロ秒の時間があるので RV63 を設定します。
15 と 11 は、ゲート ・上の MOSFET のソースは、それぞれの端子間接続された差動スコープ プローブを維持します。RL、負荷抵抗の電圧を測定するターミナル V2 +、COM. 接続入力に DC 電源端子、V1 + および COM. 観察出力電圧を三角波形と長方形の脈拍の列車間の他の差動プローブを接続、信号の切り替え。出力電圧の上昇のランプは、降圧コンバーターのスイッチが閉じ、インダクタ、コンデンサーと負荷にエネルギーを転送するときに発生します。スイッチが開いて、インダクタ電圧ソースから切断されているし、コンデンサーが負荷にいくつかのストアドのエネルギーを与えている下方傾斜が発生します。次に、ゲート電圧の時間、出力電圧の平均値を測定します。入力電流と DC 電源からの電圧測定値に注意してください。デューティ比ポテンショメータ、RV64 パルス列が 0.4, 0.6 と 0.7 のデューティ比を調整した後このテストを繰り返します。デューティ比 D は増加、降圧コンバーターの平均出力電圧も高くなります。理想的には、D は、0.3 の値を持つ、24 ボルトの入力によって [約 7.2 ボルトの出力が生成されます。同様に、D が 0.5 の場合、出力になる約 12 ボルトまたは D が 0.7 かどうか、は、出力は約 16.8 v になります。
デューティ比を 0.5 に設定、100 キロ ヘルツの周波数を生成する V1 + および COM. セット RV60 端子に DC 電源を接続します。ような前に、出力電圧波形は矩形波入力にローパス フィルターから生じる三角波です。ゲート電圧が 100 キロ ヘルツの周波数を持つデジタル パルスです。10 マイクロ秒、5 マイクロ秒の時間の期間。出力電圧の平均値とソース電圧ゲートに時間を測定します。入力電流と DC 電源からの電圧測定値に注意してください。デューティ比が 0.5 に固定で 10、20、40 キロ ヘルツのスイッチング周波数に RV60 を調整した後このテストを繰り返します。頻度が増加すると、コンデンサーの充電と放電時間も減少するので出力リップルが小さくなります。一般に、出力電圧はこの実験は、理想的な関係から予想よりも小さい。この偏差は、インダクタの線抵抗など非理想的な電圧降下と行方不明のエネルギー損失を作り出す回路の他の抵抗の寄生要素の結果です。
降圧型コンバーターは現在、変換プロセスで、最小の電力損失に関わるアプリケーションの重要なを作るを添付手順に十分に制御電圧を提供します。ノート パソコンの消費電力は 1.8 または 0.8 のみボルトで動作するマイクロプロセッサの発達により大きく減少しました。ラップトップやリモート制御デバイス使用降圧コンバーターにこれらの低値、便利なバッテリ寿命の延長や数百万のトランジスタ集積回路の需要を供給する現在のバッテリーをステップにリチウム電池の電圧を減らします。携帯電話などの電子機器は、公称電圧約 3.6 から 3.7 ボルトのリチウム イオン電池を使用します。ただし、USB コネクタと標準バッテリ充電器は、5 ボルトを供給します。電子機器で降圧型コンバーターが辞任 USB 出力リチウム イオン バッテリーを充電するために必要な低電圧に。
ゼウスの降圧コンバーター入門を見てきただけ。今彼らの操作とどのように DC 出力のデューティ比とスイッチング周波数に依存を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。
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Results
降るデューティ ・ サイクルまたはデューティ比Dに関連する理想的な降圧型コンバーターの出力入力電圧の関係。かどうか入力電圧はVで出力電圧がV のうち, Vを/でV = D、0≤D≤ 100%。したがって、D のための 24 V のうちV≈ 12 V の入力電圧 = 50%、 Vout≈ 7.2 V d d = 30%、うちV≈ 16.8 V = 70%。それにもかかわらず、出力電圧はデューティ比と線形である理想的な関係から予想よりも低くなります、主な理由は、理想的な降圧コンバーターのモデルは不完全性を考慮しないコンバーターで電圧が低下します。
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Applications and Summary
降圧コンバーター、電子デバイスの充電器バッテリーの充電に必要な優れた電圧レギュレーションを提供彼らの非常に一般的です。再生可能エネルギー アプリケーションのバッテリー システムを供給だけでなく、電源をコンピューター、集積回路、電子回路基板、電源装置に使われます。
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