Ako fungujú prevádzače Buck

V článku nižšie je uvedené komplexné know-how týkajúce sa fungovania prevodníkov buckov.

Ako naznačuje názov, prevodník buck je navrhnutý tak, aby bránil alebo obmedzoval vstupný prúd a spôsoboval výstup, ktorý môže byť oveľa nižší ako dodávaný vstup.

Inými slovami, môže sa považovať za prevodník s postupným znižovaním, ktorý by sa mohol použiť na získanie vypočítaných napätí alebo prúdov nižších ako vstupné napätie.

Dozvieme sa viac o fungovaní prevodníky buck v elektronických obvodoch prostredníctvom nasledujúcej diskusie:

Buck Converter

Typicky môžete nájsť prevodník buck používaný v obvodoch SMPS a MPPT, ktoré špecificky vyžadujú, aby bolo výstupné napätie výrazne znížené oproti výkonu vstupného zdroja, bez toho, aby bol ovplyvnený alebo zmenený výstupný výkon, to znamená hodnota V x I.

Zdroj napájania do buck prevodníka môže byť zo sieťovej zásuvky alebo z jednosmerného napájacieho zdroja.

Buck prevodník sa používa iba pre tie aplikácie, kde sa nemusí kriticky vyžadovať elektrická izolácia naprieč vstupným zdrojom energie a záťažou, avšak pre aplikácie, kde môže byť vstup na sieťových úrovniach, sa obvykle používa spätná topológia cez izolačný transformátor.

Hlavné zariadenie, ktoré sa používa ako spínacie činidlo v prevodníku buck, môže byť vo forme mosfetu alebo výkonového BJT (napríklad 2N3055), ktorý je nakonfigurovaný na prepínanie alebo osciláciu rýchlou rýchlosťou cez integrovaný oscilátorový stupeň s jeho základňa alebo brána.

Druhým dôležitým prvkom v buck konvertore je induktor L, ktorý uchováva elektrinu z tranzistora počas jeho periód ZAPNUTIA a uvoľňuje ju počas jeho periód VYPNUTIA, pričom udržuje nepretržitý prísun záťaže na stanovenú úroveň.

Táto fáza sa tiež označuje ako „Zotrvačník“ stupeň, pretože svojou funkciou pripomína mechanický zotrvačník, ktorý je schopný udržať nepretržité a rovnomerné otáčanie pomocou pravidelných tlakov z vonkajšieho zdroja.

Vstup AC alebo DC?

Buck prevodník je v podstate obvod prevodníka DC na DC, ktorý je navrhnutý na získanie napájania zo zdroja DC, ktorým môže byť batéria alebo solárny panel. Môže to byť tiež z výstupu adaptéra na striedavý prúd s jednosmerným prúdom dosiahnutého cez mostíkový usmerňovač a filtračný kondenzátor.

Bez ohľadu na to, aký môže byť zdroj vstupného jednosmerného prúdu do prevodníka buck, je vždy prevedený na vysokú frekvenciu pomocou obvodu chopperového oscilátora spolu s fázou PWM.

Táto frekvencia sa potom privedie do spínacieho zariadenia pre požadované akcie prevodníka buckov.

Prevádzka prevodníka Buck

Ako je diskutované v predchádzajúcej časti týkajúcej sa fungovania prevodníka, a ako je vidieť na nasledujúcom diagrame, obvod prevodníka zahrnuje spínací tranzistor a súvisiaci obvod zotrvačníka, ktorý obsahuje diódu D1, tlmivku L1 a kondenzátor C1.

V obdobiach, keď je tranzistor zapnutý, výkon prechádza najskôr cez tranzistor a potom cez induktor L1 a nakoniec do záťaže. V tomto procese sa induktor kvôli svojej inherentnej vlastnosti snaží postaviť proti náhlemu zavedeniu prúdu ukladaním energie doň.

Táto opozícia L1 inhibuje prúd z aplikovaného vstupu na dosiahnutie záťaže a dosiahnutie špičkovej hodnoty pre počiatočné spínacie okamihy.

Medzitým však tranzistor vstúpi do fázy vypnutia a preruší vstupné napájanie induktora.

Pri vypnutom napájaní L1 opäť čelí náhlej zmene prúdu a na vyrovnanie tejto zmeny vyplaví uloženú energiu cez pripojenú záťaž

Obdobie zapnutia tranzistora

S odkazom na vyššie uvedený obrázok, zatiaľ čo tranzistor je vo fáze zapnutia, umožňuje prúdu dosiahnuť záťaž, ale počas počiatočných okamihov zapnutia je prúd silne obmedzený v dôsledku opozície induktorov voči náhlemu použitiu prúd cez to.

Avšak v procese induktor reaguje a kompenzuje správanie tým, že v ňom uloží prúd, a v určitej časti napájacieho zdroja môže dosiahnuť zaťaženie a tiež kondenzátora C1, ktorý v ňom tiež uloží povolenú časť napájacieho zdroja .

Malo by sa tiež vziať do úvahy, že zatiaľ čo sa deje vyššie, katóda D1 zažíva plný pozitívny potenciál, ktorý ju udržuje spätne predpätú, čo znemožňuje, aby sa akumulovaná energia L1 dostala spätnou cestou cez záťaž cez záťaž. Táto situácia umožňuje induktoru pokračovať v ukladaní energie do neho bez akýchkoľvek únikov.

Obdobie „vypnutia“ tranzistora

Teraz s odkazom na vyššie uvedený obrázok, keď tranzistor vráti svoju spínaciu činnosť, to znamená, akonáhle je vypnutý, je L1 opäť zavedený s náhlou neplatnosťou prúdu, na ktorú reaguje uvoľnením akumulovanej energie smerom k záťaži v vo forme ekvivalentného potenciálneho rozdielu.

Teraz, keď je T1 VYPNUTÝ, je katóda D1 zbavená pozitívneho potenciálu a je povolená s podmienkou založenou na doprednosti.

Z dôvodu predpätého stavu D1 vpred je povolená uvoľnená energia L1 alebo zadný EMF kopaný L1 na dokončenie cyklu cez záťaž, D1 a späť do L1.

Počas dokončovania procesu prechádza energia L1 exponenciálnym poklesom v dôsledku spotreby záťaže. C1 teraz prichádza na pomoc a pomáha alebo pomáha EMF L1 pridaním vlastného uloženého prúdu do záťaže, čím zaisťuje primerane stabilné okamžité napätie do záťaže ... až kým sa tranzistor znovu nezapne, aby obnovil cyklus späť.

Celý postup umožňuje vykonanie požadovanej aplikácie prevodníka buck, pri ktorej je pre záťaž povolená iba vypočítaná časť napájacieho napätia a prúdu, namiesto relatívne väčšieho špičkového napätia zo vstupného zdroja.

Môže to byť viditeľné vo forme menšieho zvlnenia krivky namiesto obrovských štvorcových vĺn zo vstupného zdroja.

V predchádzajúcej časti sme sa dozvedeli, ako presne fungujú prevádzače buckov, v nasledujúcej diskusii sa ponoríme hlbšie a naučíme sa príslušný vzorec určujúci rôzne parametre súvisiace s prevodníkmi buckov.

Vzorec na výpočet Buck napätia v obvode konvertora Buck

Z vyššie uvedeného rozhodnutia môžeme vyvodiť záver, že maximálny uložený prúd vo vnútri L1 závisí od času ZAPNUTIA tranzistora alebo že zadný EMF L1 je možné dimenzovať vhodným dimenzovaním času ZAPNUTIA a VYPNUTIA L, z čoho tiež vyplýva, že výstup napätie v buck prevodníku je možné vopred určiť výpočtom doby zapnutia T1.

Vzorec na vyjadrenie výstupu prevodníka buck možno vidieť v nasledujúcom vzťahu:

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

kde V (in) je zdrojové napätie, t (ON) je čas zapnutia tranzistora,

a T je „periodický čas“ alebo doba jedného úplného cyklu PWM, čo je čas potrebný na dokončenie jedného úplného času zapnutia + jedného úplného času vypnutia.

Vyriešený príklad:

Pokúsme sa pochopiť vyššie uvedený vzorec na vyriešenom príklade:

Predpokladajme situáciu, že prevodník buck pracuje s V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (čas zapnutia + čas vypnutia)

t (ZAPNUTÉ) = 1ms

Nahradením týchto vo vyššie uvedenom vzorci dostaneme:

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

Preto V (out) = 6V

Teraz predĺžme čas tranzistora tým, že t (ON) = 1,5ms

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

Z vyššie uvedených príkladov je zrejmé, že v buck prevodníku riadi výstupné napätie alebo požadované Buckove napätie spínací čas t (ON) tranzistora, takže akákoľvek hodnota medzi 0 a V (in) by mohla byť dosiahnutá jednoducho vhodným dimenzovaním Doba zapnutia spínacieho tranzistora.

Buck Converter pre negatívne zásoby

Obvod prevodníka buck, ktorý sme doteraz diskutovali, je navrhnutý tak, aby vyhovoval aplikáciám pozitívneho napájania, pretože výstup je schopný generovať pozitívny potenciál s ohľadom na vstupnú zem.

Avšak pre aplikácie, ktoré môžu vyžadovať záporné napájanie, môže byť dizajn mierne upravený a kompatibilný s takýmito aplikáciami.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje, že jednoduchým zamenením polôh tlmivky a diódy môže byť výstup z buck prevodníka invertovaný alebo urobený negatívny vzhľadom na dostupný vstup spoločného uzemnenia.