Buck Dönüştürücüleri Nasıl Çalışır?

Aşağıdaki makale, buck dönüştürücülerin nasıl çalıştığına ilişkin kapsamlı bir bilgi birikimi sunmaktadır.

Adından da anlaşılacağı gibi, bir buck dönüştürücü, sağlanan girişten çok daha düşük olabilecek bir çıktıya neden olan bir giriş akımına karşı çıkmak veya sınırlamak için tasarlanmıştır.

Başka bir deyişle, hesaplanan gerilimleri veya giriş geriliminden daha düşük akımları elde etmek için kullanılabilecek bir düşürücü dönüştürücü olarak düşünülebilir.

Çalışma hakkında daha fazla bilgi edelim elektronik devrelerde kova dönüştürücüler aşağıdaki tartışma yoluyla:

Buck Dönüştürücü

Tipik olarak, güç çıkışını etkilemeden veya değiştirmeden, özellikle çıkış voltajının giriş kaynağı gücünden önemli ölçüde azaltılmasını gerektiren, yani V x I değerini gerektiren SMPS ve MPPT devrelerinde kullanılan bir buck dönüştürücü bulabilirsiniz.

Buck dönüştürücüye besleme kaynağı bir AC prizinden veya bir DC güç kaynağından olabilir.

Bir buck dönüştürücü, yalnızca giriş güç kaynağı ve yük boyunca bir elektriksel izolasyonun kritik olarak gerekli olmayabileceği uygulamalar için kullanılır, ancak girişin şebeke seviyelerinde olabileceği uygulamalar için, normalde bir izolasyon transformatörü aracılığıyla bir geri dönüş topolojisi kullanılır.

Bir kova dönüştürücüde anahtarlama ajanı olarak kullanılan ana cihaz, entegre bir osilatör kademesi aracılığıyla hızlı bir oranda anahtarlama veya salınım yapacak şekilde yapılandırılmış bir mosfet veya bir güç BJT (2N3055 gibi) şeklinde olabilir. tabanı veya kapısı.

Bir kova dönüştürücüdeki ikinci önemli unsur, transistörden elektriği AÇIK dönemlerinde depolayan ve KAPALI dönemlerinde, yüke belirtilen seviyede sürekli bir beslemeyi sürdürerek serbest bırakan indüktör L'dir.

Bu aşama aynı zamanda 'Volan' işlevi, harici bir kaynaktan düzenli itmeler yardımıyla sürekli ve sabit bir dönüşü sürdürebilen mekanik bir volanı andırdığından aşama.

Giriş AC veya DC?

Bir kova dönüştürücü, temel olarak bir pil veya güneş paneli olabilen bir DC kaynağından bir besleme elde etmek için tasarlanmış bir DC'den DC'ye dönüştürücü devresidir. Bu aynı zamanda bir köprü doğrultucu ve bir filtre kapasitörüyle elde edilen bir AC'den DC'ye adaptör çıkışı da olabilir.

Buck dönüştürücüye DC girişinin kaynağı ne olursa olsun, bir PWM aşamasıyla birlikte bir kıyıcı osilatör devresi kullanılarak her zaman yüksek bir frekansa dönüştürülür.

Bu frekans, daha sonra gerekli dönüştürücü eylemleri için anahtarlama cihazına beslenir.

Buck Dönüştürücü İşlemi

Bir kova dönüştürücünün nasıl çalıştığına ilişkin yukarıdaki bölümde tartışıldığı gibi ve aşağıdaki diyagramda görülebileceği gibi, kova dönüştürücü devresi, bir anahtarlama transistörü ve diyot Dİ, indüktör L1 ve kapasitör C1'i içeren ilişkili bir Volan devresi içerir.

Transistörün AÇIK olduğu dönemlerde, güç önce transistörden, sonra indüktör L1'den ve son olarak yüke geçer. Bu süreçte, endüktör, doğal özelliğinden dolayı, içindeki enerjiyi depolayarak ani akım girişine karşı çıkmaya çalışır.

L1'in bu karşıtlığı, uygulanan girişten gelen akımın yüke ulaşmasını ve ilk anahtarlama anları için tepe değerine ulaşmasını engeller.

Bununla birlikte, bu arada transistör, indüktöre giriş beslemesini keserek anahtar KAPALI fazına girer.

Besleme KAPALI durumdayken, L1 tekrar akımda ani bir değişiklikle karşı karşıya kalır ve değişikliği telafi etmek için depolanan enerjiyi bağlı yük boyunca temizler.

Transistör Anahtarı 'açık' Dönemi

Yukarıdaki şekle atıfta bulunularak, transistör açma fazındayken akımın yüke ulaşmasına izin verir, ancak AÇIK anahtarın ilk anları sırasında akım, ani uygulamasına karşı olan indüktörler nedeniyle büyük ölçüde kısıtlanır. içinden akım.

Bununla birlikte, süreçte indüktör, içindeki akımı depolayarak davranışı yanıtlar ve telafi eder ve tabii ki bazı kısımlarda beslemenin yüke ve ayrıca beslemenin izin verilen kısmını da depolayan C1 kondansatörüne ulaşmasına izin verilir. .

Yukarıdakiler gerçekleşirken, D1 katodunun tam bir pozitif potansiyel yaşadığı ve bunun ters yönde önyargılı kaldığı ve L1'in depolanan enerjisinin yük yoluyla yük boyunca bir dönüş yolu almasını imkansız hale getirdiği de dikkate alınmalıdır. Bu durum, indüktörün herhangi bir sızıntı olmadan enerjiyi içine depolamaya devam etmesini sağlar.

Transistör Kapatma Dönemi

Şimdi yukarıdaki şekle atıfta bulunursak, transistör anahtarlama hareketine geri döndüğünde, yani KAPALI konuma geçer geçmez, L1 yine ani bir akım boşluğu ile karşı karşıya kalır ve buna depolanmış enerjiyi yüke doğru serbest bırakarak yanıt verir. eşdeğer bir potansiyel farkın şekli.

Şimdi, T1 KAPALI olduğundan, D1'in katodu pozitif potansiyelden arındırılır ve ileriye dönük bir koşulla etkinleştirilir.

D1'in ileriye dönük önyargılı durumu nedeniyle, serbest bırakılan L1 enerjisi veya L1 tarafından atılan geri EMF'nin, döngüyü yük, D1 ve L1'e geri dönerek tamamlamasına izin verilir.

İşlem tamamlanırken, L1 enerjisi, yük tüketimi nedeniyle üstel bir düşüşe geçer. C1 şimdi kurtarmaya gelir ve yüke kendi depolanan akımını ekleyerek L1 EMF'ye yardım eder veya yardım eder, böylece yüke makul derecede kararlı bir anlık voltaj sağlar ... ta ki transistör tekrar AÇIK konuma geçene kadar döngüyü yenileyin.

Tüm prosedür, giriş kaynağından nispeten daha büyük tepe voltajı yerine yük için besleme voltajının ve akımın yalnızca hesaplanan bir kısmına izin verildiği istenen kovalı dönüştürücü uygulamasının yürütülmesini sağlar.

Bu, giriş kaynağından gelen büyük kare dalgalar yerine daha küçük bir dalgalanma dalga formu şeklinde görülebilir.

Yukarıdaki bölümde, paralı dönüştürücülerin tam olarak nasıl çalıştığını öğrendik, aşağıdaki tartışmada daha derine ineceğiz ve paralı dönüştürücülerle ilgili çeşitli parametreleri belirlemenin ilgili formülünü öğreneceğiz.

Buck Dönüştürücü Devresinde Buck Gerilimini Hesaplamak İçin Formül

Yukarıdaki karardan, L1 içinde depolanan maksimum akımın transistörün AÇIK zamanına bağlı olduğu sonucuna varabiliriz veya L1'in arka EMF'si L'nin AÇIK ve KAPALI zamanını uygun şekilde boyutlandırarak boyutlandırılabilir, ayrıca çıkışın Bir kova dönüştürücüdeki voltaj, T1'in AÇIK zamanı hesaplanarak önceden belirlenebilir.

Buck dönüştürücü çıktısını ifade etme formülü, aşağıda verilen ilişkide görülebilir:

V (çıkış) = {V (giriş) x t (AÇIK)} / T

V (in) kaynak voltajı olduğunda, t (ON) transistörün ON zamanıdır,

ve T 'periyodik süre' veya PWM'nin bir tam döngüsünün periyodudur, yani bir tam AÇMA süresi + bir tam KAPAMA süresini tamamlamak için geçen süredir.

Çözülmüş Örnek:

Yukarıdaki formülü çözülmüş bir örnekle anlamaya çalışalım:

Bir buck dönüştürücünün V (in) = 24V ile çalıştırıldığı bir durumu varsayalım.

T = 2ms + 2ms (AÇMA süresi + KAPATMA süresi)

t (AÇIK) = 1 ms

Bunları yukarıdaki formülde değiştirerek elde ederiz:

V (çıkış) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Bu nedenle V (çıkış) = 6V

Şimdi t (ON) = 1.5ms yaparak transistör süresini artıralım.

Bu nedenle, V (çıkış) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Yukarıdaki örneklerden, bir buck dönüştürücü anahtarlama süresinde t (AÇIK) transistörün çıkış voltajını veya gerekli Buck voltajını yönettiği, dolayısıyla 0 ve V (in) arasındaki herhangi bir değerin basitçe uygun şekilde boyutlandırılarak elde edilebileceği oldukça açık hale gelir. Anahtarlama transistörünün AÇIK zamanı.

Negatif Sarf Malzemeleri için Buck Dönüştürücü

Şimdiye kadar tartıştığımız kova dönüştürücü devresi, çıktı, giriş topraklamasına göre pozitif bir potansiyel oluşturabildiğinden, pozitif besleme uygulamalarına uyacak şekilde tasarlanmıştır.

Bununla birlikte, negatif bir tedarik gerektirebilecek uygulamalar için, tasarım biraz değiştirilebilir ve bu tür uygulamalarla uyumlu hale getirilebilir.

Yukarıdaki şekil, indüktör ve diyotun konumlarını basitçe değiştirerek, konvertörden gelen çıktının, mevcut ortak zemin girişine göre tersine çevrilebileceğini veya negatif yapılabileceğini göstermektedir.