Kuinka Buck-muuntimet toimivat

Seuraava artikkeli esittelee kattavan tietämyksen siitä, miten buck-muuntimet toimivat.

Kuten nimestä voi päätellä, buck-muunnin on suunniteltu vastustamaan tai rajoittamaan tulovirtaa aiheuttaen lähdön, joka voi olla paljon pienempi kuin toimitettu tulo.

Toisin sanoen sitä voidaan pitää vähennysmuuntimena, jota voitaisiin käyttää tulojännitettä pienempien laskettujen jännitteiden tai virtojen hankkimiseen.

Opitaan lisää työskentelystä buck-muuntimet elektronisissa piireissä seuraavan keskustelun kautta:

Buck-muunnin

Tyypillisesti saatat löytää buck-muuntimen, jota käytetään SMPS- ja MPPT-piireissä, jotka edellyttävät nimenomaan lähtöjännitteen vähentämistä merkittävästi kuin tulolähteen teho vaikuttamatta tai muuttamatta teholähtöä, se on V x I -arvo.

Buck-muuntimen syöttölähde voi olla pistorasiasta tai tasavirtalähteestä.

Buck-muunninta käytetään vain niihin sovelluksiin, joissa sähköistä eristystä ei välttämättä vaadita kriittisesti tulovirtalähteen ja kuorman välillä, mutta sovelluksissa, joissa tulo voi olla verkkotasolla, käytetään normaalisti flyback-topologiaa eristysmuuntajan kautta.

Päälaite, jota käytetään kytkentäaineena buck-muuntimessa, voi olla mosfetin tai teho-BJT: n (kuten 2N3055) muodossa, joka on konfiguroitu kytkemään tai värähtelemään nopeasti integroidun oskillaattorivaiheen kautta sen pohja tai portti.

Toinen tärkeä elementti buck-muuntimessa on induktori L, joka varastoi transistorin sähkön sen ON-jaksojen aikana ja vapauttaa sen OFF-ajanjaksojensa aikana ylläpitämällä jatkuvaa kuorman syöttöä määritetyllä tasolla.

Tätä vaihetta kutsutaan myös nimellä 'Vauhtipyörä' koska sen toiminta muistuttaa mekaanista vauhtipyörää, joka pystyy ylläpitämään jatkuvaa ja tasaista pyörimistä säännöllisten työntöjen avulla ulkoisesta lähteestä.

Tulo AC tai DC?

Buck-muunnin on periaatteessa DC-DC-muunninpiiri, joka on suunniteltu hankkimaan syöttö tasavirtalähteestä, joka voi olla akku tai aurinkopaneeli. Tämä voi tapahtua myös AC-DC-sovittimen ulostulosta, joka saavutetaan sillan tasasuuntaajan ja suodatinkondensaattorin avulla.

Riippumatta siitä, mikä voi olla DC-tulo buck-muuntimelle, se muunnetaan aina korkeaksi taajuudeksi käyttämällä chopper-oskillaattoripiiriä yhdessä PWM-vaiheen kanssa.

Tämä taajuus syötetään sitten kytkinlaitteeseen vaadittavia buck-muunnintoimintoja varten.

Buck Converterin käyttö

Kuten edellisessä osassa keskusteltiin buck-muuntimen toiminnasta, ja kuten seuraavasta kaaviosta voidaan nähdä, buck-muunninpiiri sisältää kytkentätransistorin ja siihen liittyvän vauhtipyörän piirin, joka sisältää diodin D1, induktorin L1 ja kondensaattorin C1.

Aikana, jolloin transistori on PÄÄLLÄ, teho kulkee ensin transistorin ja sitten induktorin L1 läpi ja lopuksi kuormaan. Prosessissa induktori yrittää luontaisen ominaisuutensa vuoksi vastustaa virran äkillistä syöttämistä varastoimalla siihen energiaa.

Tämä L1: n vastus estää käytetyn tulon virran saavuttaakseen kuorman ja saavuttaen huippuarvon ensimmäisille kytkentähetkille.

Sillä välin transistori siirtyy pois päältä -vaiheeseensa katkaisemalla induktorin syöttösyötön.

Kun virta on kytketty pois päältä, L1 joutuu jälleen äkilliseen virranmuutokseen ja muutoksen kompensoimiseksi se huuhtelee varastoidun energian yhdistetyn kuorman yli

Transistorin kytkentäjakso

Viitaten yllä olevaan kuvaan, kun transistori on kytkentävaiheessa, se sallii virran saavuttaa kuorman, mutta virran kytkemisen alkutilanteissa virta on voimakkaasti rajoitettu johtuen induktoreista, jotka vastustavat jännitteen äkillistä käyttöä sen läpi.

Kuitenkin prosessissa induktori reagoi ja kompensoi käyttäytymisen varastoimalla siihen virran, ja tietyn osan aikana syötteen annetaan saavuttaa kuorma ja myös kondensaattoriin C1, joka myös tallentaa sallitun osan syötteestä siihen .

On myös otettava huomioon, että vaikka yllä mainittua tapahtuu, D1-katodilla on täysi positiivinen potentiaali, joka pitää sen käänteisenä esijännitettynä, jolloin L1: n varastoidulle energialle on mahdotonta saada paluureitti kuorman yli kuorman kautta. Tämän tilanteen avulla induktori voi edelleen varastoida energiaa siihen ilman vuotoja.

Transistorin sammutusjakso

Viitaten nyt yllä olevaan kuvaan, kun transistori palauttaa kytkentätoimintansa, eli heti kun se kytketään pois päältä, L1 otetaan jälleen käyttöön äkillisellä virralla, johon se reagoi vapauttamalla varastoidun energian kohti kuormaa vastaavan potentiaalieron muodossa.

Koska T1 on kytketty pois päältä, D1: n katodi vapautetaan positiivisesta potentiaalista ja se otetaan käyttöön eteenpäin suuntautuvalla ehdolla.

D1: n eteenpäin suuntautuneen tilan takia vapautuneen L1-energian tai L1: n potkaaman takaosan EMF: n saa suorittaa jakson loppuun kuorman, D1 ja takaisin L1: n läpi.

Prosessin päätyttyä L1-energia kulkee eksponentiaalisen pudotuksen kuorman kulutuksesta johtuen. C1 tulee nyt pelastukseen ja avustaa tai auttaa L1 EMF: ää lisäämällä omaa tallennettua virtaa kuormitukseen varmistamalla siten kohtuullisen vakaan hetkellisen jännitteen kuormitukselle ... kunnes transistori kytkeytyy uudelleen päälle virkistääkseen jakson takaisin.

Koko menettely mahdollistaa halutun buck-muunninsovelluksen suorittamisen, jolloin kuormalle sallitaan vain laskettu osa syöttöjännitteestä ja virrasta tulolähteen suhteellisen suuremman huippujännitteen sijasta.

Tämä voidaan nähdä pienemmän aaltoilevan aaltomuodon sijasta tulolähteen valtavien neliöaaltojen sijasta.

Edellä olevassa osassa opimme tarkalleen kuinka buck-muuntimet toimivat, seuraavassa keskustelussa syvennämme asiaa ja opimme asiaankuuluvan kaavan, jolla määritetään buck-muuntimiin liittyvät eri parametrit.

Kaava Buck-jännitteen laskemiseksi Buck Converter -piirissä

Edellä olevasta päätöksestä voidaan päätellä, että suurin tallennettu virta L1: n sisällä riippuu transistorin ON-ajasta, tai L1: n taka-EMF voidaan mitoittaa mitoittamalla L: n ON- ja OFF-aika asianmukaisesti, se tarkoittaa myös, että lähtö jännite buck-muuntimessa voidaan ennalta määrittää laskemalla T1: n ON-aika.

Kaava muuntimen lähdön ilmaisemiseksi voidaan todeta seuraavassa annetussa suhteessa:

V (lähtö) = {V (sisään) x t (päällä)} / T

missä V (in) on lähdejännite, t (ON) on transistorin ON-aika,

ja T on PWM: n 'jaksollinen aika' tai yhden täyden syklin jakso, eli aika, joka kuluu yhden täyden ON-ajan ja yhden täydellisen OFF-ajan loppuun saattamiseen.

Ratkaistu esimerkki:

Yritetään ymmärtää yllä oleva kaava ratkaistulla esimerkillä:

Oletetaan, että buck-muunninta käytetään V (in) = 24V

T = 2 ms + 2 ms (ON-aika + OFF-aika)

t (ON) = 1 ms

Korvaamalla nämä yllä olevaan kaavaan saamme:

V (lähtö) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6 V.

Siksi V (ulos) = 6V

Lisätään nyt transistorin aikaa tekemällä t (ON) = 1,5 ms

Siksi V (ulos) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9 V

Edellä olevista esimerkeistä käy melko selväksi, että buck-muuntimessa transistorin kytkentäaika t (ON) säätelee lähtöjännitettä tai vaadittavaa Buck-jännitettä, joten mikä tahansa arvo 0: n ja V: n (in) välillä voidaan saavuttaa yksinkertaisesti mitoittamalla Kytkentätransistorin ON-aika.

Buck Converter negatiivisille tarvikkeille

Tähän mennessä keskustelemamme buck-muunninpiiri on suunniteltu sopimaan positiivisiin syöttösovelluksiin, koska lähtö pystyy tuottamaan positiivisen potentiaalin tulomaahan suhteen.

Kuitenkin sovelluksissa, jotka saattavat vaatia negatiivisen toimituksen, muotoilua voitaisiin hieman muuttaa ja tehdä yhteensopivaksi tällaisten sovellusten kanssa.

Yllä oleva kuva osoittaa, että yksinkertaisesti vaihtamalla induktorin ja diodin sijainnit, buck-muuntimen lähtö voidaan kääntää tai tehdä negatiiviseksi käytettävissä olevan yhteisen maadoituksen tuloon nähden.