Jak działają konwertery Buck

Poniższy artykuł przedstawia obszerną wiedzę dotyczącą działania przetworników buck.

Jak sama nazwa wskazuje, konwerter buck został zaprojektowany tak, aby przeciwdziałać lub ograniczać prąd wejściowy, powodując wyjście, które może być znacznie niższe niż dostarczane wejście.

Innymi słowy, można go uznać za przetwornik obniżający napięcie, który może być użyty do uzyskania obliczonych napięć lub prądów niższych niż napięcie wejściowe.

Dowiedzmy się więcej o działaniu przetwornice buck w obwodach elektronicznych poprzez następującą dyskusję:

Konwerter Buck

Zwykle można znaleźć konwerter buck używany w obwodach SMPS i MPPT, które w szczególności wymagają znacznego zmniejszenia napięcia wyjściowego niż moc źródła wejściowego, bez wpływu lub zmiany mocy wyjściowej, czyli wartości V x I.

Źródło zasilania konwertera buck może pochodzić z gniazdka prądu przemiennego lub zasilacza prądu stałego.

Konwerter buck jest używany tylko w tych zastosowaniach, w których izolacja elektryczna może nie być krytycznie wymagana w odniesieniu do źródła zasilania wejściowego i obciążenia, jednak w zastosowaniach, w których napięcie wejściowe może znajdować się na poziomie sieci, zwykle stosuje się topologię flyback przez transformator izolujący.

Główne urządzenie, które jest używane jako agent przełączający w konwerterze buck, może mieć postać mosfetu lub BJT mocy (takiego jak 2N3055), który jest skonfigurowany do przełączania lub oscylacji z dużą szybkością poprzez zintegrowany stopień oscylatora z jego podstawę lub bramę.

Drugim ważnym elementem przekształtnika buck jest cewka indukcyjna L, która magazynuje energię elektryczną z tranzystora podczas okresów jego załączenia i uwalnia ją w okresach wyłączenia, utrzymując ciągłe zasilanie obciążenia na określonym poziomie.

Ten etap jest również nazywany 'Koło zamachowe' etap, ponieważ jego funkcja przypomina mechaniczne koło zamachowe, które jest w stanie utrzymać ciągły i stały obrót za pomocą regularnych naciśnięć z zewnętrznego źródła.

Wejście AC czy DC?

Konwerter buck to w zasadzie obwód konwertera DC na DC, który jest przeznaczony do pobierania zasilania ze źródła prądu stałego, którym może być bateria lub panel słoneczny. Może to również pochodzić z wyjścia adaptera AC na DC, osiągniętego przez prostownik mostkowy i kondensator filtrujący.

Bez względu na to, jakie może być źródło wejściowego prądu stałego do przetwornicy buck, jest on niezmiennie przetwarzany na wysoką częstotliwość za pomocą obwodu oscylatora przerywacza wraz ze stopniem PWM.

Częstotliwość ta jest następnie podawana do urządzenia przełączającego dla wymaganych działań przetwornicy buck.

Działanie przetwornika buck

Jak omówiono w powyższej sekcji dotyczącej działania przetwornika buck i jak można zobaczyć na poniższym schemacie, obwód przetwornika buck zawiera tranzystor przełączający i powiązany obwód koła zamachowego, który obejmuje diodę D1, cewkę indukcyjną L1 i kondensator C1.

W okresach, w których tranzystor jest włączony, moc przechodzi najpierw przez tranzystor, a następnie przez cewkę indukcyjną L1 i ostatecznie do obciążenia. W tym procesie cewka indukcyjna ze względu na swoją nieodłączną właściwość próbuje przeciwstawić się nagłemu wprowadzeniu prądu, gromadząc w nim energię.

Ta opozycja ze strony L1 hamuje prąd z przyłożonego wejścia, aby osiągnąć obciążenie i osiągnąć wartość szczytową dla początkowych momentów przełączania.

Jednak w międzyczasie tranzystor wchodzi w fazę wyłączania, odcinając zasilanie wejściowe cewki.

Przy wyłączonym zasilaniu L1 ponownie napotyka nagłą zmianę prądu i aby skompensować zmianę wypłukuje zmagazynowaną energię przez podłączone obciążenie

Okres włączenia tranzystora

Odnosząc się do powyższego rysunku, tranzystor w fazie załączania pozwala prądowi dotrzeć do obciążenia, ale w początkowych momentach załączenia prąd jest mocno ograniczony ze względu na opór cewek indukcyjnych do nagłego załączenia prąd przez to.

Jednak w procesie cewka reaguje i kompensuje zachowanie, gromadząc w niej prąd, aw trakcie pewnej części zasilanie może dotrzeć do obciążenia, a także do kondensatora C1, który również przechowuje w nim dozwoloną część zasilania. .

Należy również wziąć pod uwagę, że podczas powyższego katoda D1 doświadcza pełnego dodatniego potencjału, który utrzymuje ją w odwrotnej polaryzacji, uniemożliwiając zmagazynowanej energii L1 uzyskanie ścieżki powrotnej przez obciążenie poprzez obciążenie. Sytuacja ta pozwala cewce na dalsze magazynowanie energii bez żadnych wycieków.

Okres wyłączenia tranzystora

Odnosząc się teraz do powyższego rysunku, gdy tranzystor powróci do swojego działania przełączającego, to znaczy gdy tylko zostanie wyłączony, L1 jest ponownie wprowadzany z nagłą próżnią prądu, na który reaguje uwalniając zgromadzoną energię w kierunku obciążenia w postać równoważnej różnicy potencjałów.

Teraz, ponieważ T1 jest wyłączony, katoda D1 jest uwalniana z dodatniego potencjału i jest aktywowana z warunkiem opartym na przewodzeniu.

Ze względu na przesunięcie w przód stanu D1, uwolniona energia L1 lub tylna siła elektromagnetyczna wyrzucona przez L1 może zakończyć cykl przez obciążenie, D1 iz powrotem do L1.

Gdy proces jest zakończony, energia L1 przechodzi wykładniczy spadek ze względu na zużycie ładunku. C1 przychodzi teraz na ratunek i wspomaga lub wspomaga L1 EMF, dodając własny zmagazynowany prąd do obciążenia, zapewniając w ten sposób rozsądnie stabilne chwilowe napięcie do obciążenia ... do momentu ponownego włączenia tranzystora w celu odświeżenia cyklu.

Cała procedura umożliwia wykonanie żądanej aplikacji przetwornicy buck, w której tylko obliczona część napięcia i prądu zasilania jest dopuszczona dla obciążenia, zamiast stosunkowo większego napięcia szczytowego ze źródła wejściowego.

Można to zobaczyć w postaci mniejszego kształtu fali tętnienia zamiast ogromnych fal prostokątnych ze źródła wejściowego.

W powyższej sekcji dowiedzieliśmy się dokładnie, jak działają konwertery buck, w poniższej dyskusji zagłębimy się głębiej i poznamy odpowiednią formułę określania różnych parametrów związanych z konwerterami buck.

Wzór na obliczanie napięcia Buck w obwodzie przetwornika Buck

Z powyższej decyzji możemy wywnioskować, że maksymalny prąd przechowywany wewnątrz L1 zależy od czasu włączenia tranzystora, lub tylna EMF L1 może być zwymiarowana poprzez odpowiednie zwymiarowanie czasu włączenia i wyłączenia L, oznacza to również, że wyjście napięcie w przetwornicy buck można z góry określić, obliczając czas załączenia T1.

Wzór na wyrażenie wartości wyjściowej konwertera złotówki może być przedstawiony w poniższej zależności:

V (out) = {V (in) x t (ON)} / T

gdzie V (in) to napięcie źródła, t (ON) to czas włączenia tranzystora,

a T jest „okresowym czasem” lub okresem jednego pełnego cyklu PWM, to jest czasem potrzebnym do zakończenia jednego pełnego czasu włączenia + jednego pełnego czasu wyłączenia.

Rozwiązany przykład:

Spróbujmy zrozumieć powyższą formułę za pomocą rozwiązanego przykładu:

Załóżmy sytuację, w której przetwornica buck pracuje z V (in) = 24V

T = 2 ms + 2 ms (czas włączenia + czas wyłączenia)

t (ON) = 1 ms

Zastępując je w powyższym wzorze otrzymujemy:

V (wyjście) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6 V.

Dlatego V (out) = 6V

Teraz zwiększmy czas tranzystora, ustawiając t (ON) = 1,5 ms

Dlatego V (out) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Z powyższych przykładów jasno wynika, że ​​w przetworniku buck czas przełączania t (ON) tranzystora reguluje napięcie wyjściowe lub wymagane napięcie Buck, a zatem każdą wartość między 0 a V (in) można uzyskać po prostu przez odpowiednie zwymiarowanie Czas załączenia tranzystora przełączającego.

Konwerter Buck dla negatywnych materiałów eksploatacyjnych

Obwód przetwornika buck, o którym mówiliśmy do tej pory, jest przeznaczony do zastosowań z dodatnim zasilaniem, ponieważ wyjście jest w stanie wygenerować dodatni potencjał w odniesieniu do masy wejściowej.

Jednak w przypadku zastosowań, które mogą wymagać zasilania ujemnego, projekt może zostać nieznacznie zmodyfikowany i dostosowany do takich zastosowań.

Powyższy rysunek pokazuje, że po prostu zamieniając pozycje cewki indukcyjnej i diody, sygnał wyjściowy z przetwornika buck może być odwrócony lub ujemny w stosunku do dostępnego wejścia wspólnej masy.