Cum funcționează convertizoarele Buck

Articolul de mai jos prezintă un know-how cuprinzător cu privire la modul în care funcționează convertizoarele de bani.

După cum sugerează și numele, un convertor Buck este conceput pentru a se opune sau a restricționa un curent de intrare provocând o ieșire care poate fi mult mai mică decât intrarea furnizată.

Cu alte cuvinte, poate fi considerat un convertor step down care ar putea fi utilizat pentru achiziționarea de tensiuni sau curenți calculați mai mici decât tensiunea de intrare.

Să învățăm mai multe cu privire la funcționarea convertoare Buck în circuite electronice prin următoarea discuție:

Convertorul Buck

De obicei, puteți găsi un convertor buck utilizat în circuite SMPS și MPPT care necesită în mod specific ca tensiunea de ieșire să fie redusă semnificativ decât puterea sursei de intrare, fără a afecta sau modifica puterea de ieșire, adică valoarea V x I.

Sursa de alimentare către un convertor Buck ar putea fi de la o priză de curent alternativ sau de la o sursă de curent continuu.

Un convertor Buck este utilizat numai pentru acele aplicații în care s-ar putea să nu fie necesară o izolare electrică în întreaga sursă de alimentare de intrare și în sarcină, totuși pentru aplicațiile în care intrarea poate fi la niveluri de rețea, atunci se utilizează în mod normal o topologie flyback printr-un transformator de izolare.

Dispozitivul principal care este utilizat ca agent de comutare într-un convertor Buck poate fi sub forma unui MOSFET sau a unui BJT de putere (cum ar fi un 2N3055), care este configurat pentru a comuta sau oscila într-un ritm rapid printr-un stadiu oscilator integrat cu baza sau poarta acestuia.

Al doilea element important într-un convertor Buck este inductorul L, care stochează energia electrică din tranzistor în timpul perioadelor sale de pornire și o eliberează în timpul perioadelor sale de OPRIRE menținând o alimentare continuă a sarcinii la nivelul specificat.

Această etapă este, de asemenea, denumită 'Volant' etapă, deoarece funcția sa seamănă cu o volantă mecanică care este capabilă să susțină o rotație continuă și constantă cu ajutorul unor împingeri regulate de la o sursă externă.

Intrare AC sau DC?

Un convertor Buck este în esență un circuit convertor DC-DC care este conceput pentru a obține o sursă de alimentare de la o sursă DC, care poate fi o baterie sau un panou solar. Aceasta ar putea fi, de asemenea, de la o ieșire de adaptor CA la CC realizată printr-un redresor de punte și un condensator de filtru.

Indiferent care ar putea fi sursa de intrare DC la convertorul buck, acesta este transformat invariabil într-o frecvență înaltă utilizând un circuit oscilator chopper împreună cu o etapă PWM.

Această frecvență este apoi alimentată la dispozitivul de comutare pentru acțiunile necesare ale convertorului buck.

Funcționarea convertorului Buck

Așa cum s-a discutat în secțiunea de mai sus cu privire la modul în care funcționează un convertor buck și, după cum se poate vedea în următoarea diagramă, circuitul convertorului buck include un tranzistor de comutare și un circuit de volant asociat care include dioda D1, inductorul L1 și condensatorul C1.

În perioadele în care tranzistorul este PORNIT, puterea trece mai întâi prin tranzistor și apoi prin inductorul L1 și în cele din urmă către sarcină. În acest proces, inductorul datorită proprietății sale inerente încearcă să se opună introducerii bruște a curentului prin stocarea energiei în el.

Această opoziție de L1 inhibă curentul de la intrarea aplicată pentru a atinge sarcina și atingerea valorii de vârf pentru instantele de comutare inițiale.

Cu toate acestea, între timp, tranzistorul intră în faza de întrerupere, întrerupând alimentarea de intrare a inductorului.

Cu sursa oprită, L1 se confruntă din nou cu o schimbare bruscă a curentului și, pentru a compensa schimbarea, elimină energia stocată pe sarcina conectată

Perioada de pornire a tranzistorului

Referindu-ne la figura de mai sus, în timp ce tranzistorul se află în faza de pornire, permite curentului să ajungă la sarcină, dar în timpul instanțelor inițiale de pornire, curentul este puternic restricționat din cauza opoziției inductoarelor la aplicarea bruscă a curent prin ea.

Cu toate acestea, în proces, inductorul răspunde și compensează comportamentul stocând curentul în el, iar în curs o porțiune a sursei este permisă să ajungă la sarcină și, de asemenea, la condensatorul C1, care stochează și porțiunea admisă a sursei în acesta. .

De asemenea, ar trebui să se țină seama de faptul că, în timp ce se întâmplă cele de mai sus, catodul D1 are un potențial complet pozitiv care îl menține inversat, făcând imposibil ca energia stocată a L1 să obțină o cale de întoarcere peste sarcină prin sarcină. Această situație permite inductorului să păstreze în continuare energia în el fără scurgeri.

Perioada de oprire a tranzistorului

Acum, referindu-ne la figura de mai sus, când tranzistorul își revine acțiunea de comutare, adică imediat ce este oprit, L1 este din nou introdus cu un gol brusc de curent, la care răspunde eliberând energia stocată către sarcina din forma unei diferențe de potențial echivalente.

Acum, deoarece T1 este oprit, catodul lui D1 este eliberat de potențialul pozitiv și este activat cu o stare bazată pe înainte.

Datorită stării părtinitoare înainte a lui D1, energia L1 eliberată sau EMF-ul din spate lovit de L1 este permis să finalizeze ciclul prin sarcină, D1 și înapoi la L1.

În timp ce procesul este finalizat, energia L1 trece printr-o scădere exponențială din cauza consumului de încărcare. C1 vine acum în ajutor și asistă sau ajută EMF L1 adăugând propriul curent stocat la sarcină, asigurând astfel o tensiune instantanee stabilă la sarcină ... până când tranzistorul pornește din nou pentru a reîmprospăta ciclul.

Întreaga procedură permite executarea aplicației de conversie dorită în care numai o parte calculată a tensiunii și curentului de alimentare este permisă pentru sarcină, în loc de tensiunea de vârf relativ mai mare de la sursa de intrare.

Acest lucru poate fi văzut sub forma unei forme de undă mai mici, în locul undelor imense pătrate de la sursa de intrare.

În secțiunea de mai sus am învățat exact cum funcționează convertoarele Buck, în următoarea discuție vom aprofunda și vom învăța formula relevantă pentru determinarea diferiților parametri legați de convertorii Buck.

Formula pentru calcularea tensiunii Buck într-un circuit convertor Buck

Din decizia de mai sus putem concluziona că curentul maxim stocat în interiorul L1 depinde de timpul de pornire al tranzistorului, sau EMF-ul din spate al lui L1 poate fi dimensionat prin dimensionarea corespunzătoare a timpului de pornire și oprire al lui L, implică, de asemenea, că ieșirea tensiunea într-un convertor Buck poate fi predeterminată prin calcularea timpului de pornire al T1.

Formula pentru exprimarea ieșirii convertorului buck poate fi observată în relația dată mai jos:

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

unde V (in) este tensiunea sursei, t (ON) este timpul de pornire al tranzistorului,

și T este „timpul periodic” sau perioada unui ciclu complet al PWM, adică timpul necesar pentru completarea unui timp de pornire complet + un timp de OPRIRE completă.

Exemplu rezolvat:

Să încercăm să înțelegem formula de mai sus cu un exemplu rezolvat:

Să presupunem o situație în care un convertor Buck este operat cu V (în) = 24V

T = 2ms + 2ms (timp ON + OFF time)

t (PORNIT) = 1 ms

Înlocuind acestea în formula de mai sus, obținem:

V (afară) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Prin urmare V (out) = 6V

Acum să creștem timpul tranzistorului făcând t (ON) = 1,5ms

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

Din exemplele de mai sus devine destul de clar că într-un convertor Buck timpul de comutare t (ON) al tranzistorului guvernează tensiunea de ieșire sau tensiunea Buck necesară, astfel orice valoare între 0 și V (in) ar putea fi atinsă pur și simplu prin dimensionarea corespunzătoare a Timp de pornire al tranzistorului de comutare.

Convertor Buck pentru consumabile negative

Circuitul convertorului buck pe care l-am discutat până acum este conceput pentru a se potrivi aplicațiilor de alimentare pozitive, deoarece ieșirea este capabilă să genereze un potențial pozitiv în raport cu masa de intrare.

Cu toate acestea, pentru aplicațiile care ar putea necesita o aprovizionare negativă, designul ar putea fi ușor modificat și făcut compatibil cu astfel de aplicații.

Figura de mai sus arată că, prin simpla schimbare a pozițiilor inductorului și a diodei, ieșirea din convertorul buck poate fi inversată sau negativă în raport cu intrarea la sol comună disponibilă.