Как работят конверторите Buck

Статията по-долу представя изчерпателно ноу-хау по отношение на това как работят конверторите.

Както подсказва името, конверторът за долар е предназначен да противодейства или ограничава входния ток, причинявайки изход, който може да бъде много по-нисък от предоставения вход.

С други думи, може да се счита за понижаващ преобразувател, който може да се използва за получаване на изчислени напрежения или токове, по-ниски от входното напрежение.

Нека научим повече относно работата на преобразуватели в електронни схеми чрез следната дискусия:

Buck Converter

Обикновено може да откриете, че преобразувателят на долари се използва в SMPS и MPPT вериги, които специално изискват изходното напрежение да бъде значително намалено от мощността на входящия източник, без да се засяга или променя изходната мощност, което е стойността V x I.

Източникът на захранване към конвертор може да бъде от променлив ток или от постоянен ток.

Преобразувател на долар се използва само за онези приложения, при които електрическата изолация може да не е критично необходима за входящия източник на захранване и товара, но за приложения, където входът може да е на мрежови нива, тогава топологията на обратния ход обикновено се използва чрез изолиращ трансформатор.

Основното устройство, което се използва като превключващ агент в преобразувател на долари, може да бъде под формата на MOSFET или мощност BJT (като 2N3055), което е конфигурирано да превключва или трепне с бърза скорост чрез интегриран осцилаторен етап с неговата основа или порта.

Вторият важен елемент в преобразувателя е индуктор L, който съхранява електричеството от транзистора по време на неговите периоди на включване и го освобождава през периодите му на изключване, поддържайки непрекъснато подаване на товара на определеното ниво.

Този етап се нарича още „Маховик“ етап, тъй като неговата функция прилича на механичен маховик, който е в състояние да поддържа непрекъснато и стабилно въртене с помощта на редовни изтласквания от външен източник.

Вход AC или DC?

Преобразувателят за долар е основно схема за преобразуване на постоянен в постоянен ток, която е предназначена да получи захранване от източник на постоянен ток, който може да бъде батерия или слънчев панел. Това може да бъде и от изход за променлив ток към постоянен ток, постигнат чрез мостов токоизправител и филтриращ кондензатор.

Без значение какъв може да е източникът на входния постоянен ток към преобразувателя, той неизменно се преобразува във висока честота, като се използва осцилаторна верига на хеликоптер заедно с PWM етап.

След това тази честота се подава към комутационното устройство за необходимите действия на преобразувателя.

Операция на Buck Converter

Както е обсъдено в горния раздел относно начина на работа на преобразувател, и както може да се види на следващата диаграма, веригата на преобразувателя на превключвател включва превключващ транзистор и свързана верига на маховика, която включва диода D1, индуктора L1 и кондензатора C1.

По време на периодите, когато транзисторът е ВКЛ, мощността преминава първо през транзистора и след това през индуктора L1 и накрая към товара. В този процес индукторът поради присъщото си свойство се опитва да се противопостави на внезапното въвеждане на ток, като съхранява енергията в него.

Това противопоставяне от L1 инхибира тока от приложения вход за достигане на товара и достигане на пиковата стойност за първоначалните превключващи моменти.

Междувременно транзисторът навлиза във фазата на изключване, като прекъсва входното захранване към индуктора.

При изключено захранване L1 отново се изправя пред внезапна промяна в тока и за компенсиране на промяната изхвърля съхранената енергия през свързания товар

Период на включване на транзистора

Позовавайки се на горната фигура, докато транзисторът е във фаза на включване, той позволява на тока да достигне товара, но по време на първоначалните моменти на включване токът е силно ограничен поради противопоставянето на индукторите на внезапното прилагане на ток през него.

Въпреки това в процеса индукторът реагира и компенсира поведението чрез запазване на тока в него и в хода на част от захранването се позволява да достигне товара, а също и до кондензатора С1, който също съхранява разрешената част от захранването в него .

Също така трябва да се вземе предвид, че докато се случи горепосоченото, катодът D1 изпитва пълен положителен потенциал, който го държи обратно пристрастен, което прави невъзможно съхранената енергия на L1 да получи обратна пътека през товара чрез товара. Тази ситуация позволява на индуктора да продължи да съхранява енергията в него без никакви течове.

Период на изключване на транзистора

Позовавайки се на горната фигура, когато транзисторът върне превключващото си действие, т.е. веднага щом се изключи, L1 отново се въвежда с внезапна кухина на тока, на което той реагира, като освобождава съхранената енергия към товара в формата на еквивалентна потенциална разлика.

Сега, тъй като T1 е изключен, катодът на D1 е освободен от положителния потенциал и е активиран с условие, базирано напред.

Поради предубеденото състояние на D1, освободената L1 енергия или задната EMF, изстреляна от L1, имат право да завършат цикъла през товара, D1 и обратно към L1.

Докато процесът завършва, енергията L1 преминава през експоненциален спад поради консумацията на товара. C1 сега идва на помощ и подпомага или подпомага L1 EMF, като добавя свой собствен съхраняван ток към товара, като по този начин осигурява разумно стабилно моментно напрежение към товара ... докато транзисторът се включи отново, за да обнови цикъла обратно.

Цялата процедура позволява изпълнението на желаното приложение за преобразувател, при което за товара е разрешена само изчислена част от захранващото напрежение и ток, вместо относително по-голямото пиково напрежение от входния източник.

Това може да се види под формата на по-малка вълнообразна форма на вълната вместо огромните квадратни вълни от входния източник.

В горния раздел научихме как точно работят конверторите, в следващата дискусия ще се задълбочим и ще научим съответната формула за определяне на различните параметри, свързани с конверторите.

Формула за изчисляване на напрежението Buck в верига на преобразувател Buck

От горното решение можем да заключим, че максималният запазен ток вътре в L1 зависи от времето за включване на транзистора, или задната EMF на L1 може да бъде оразмерена чрез подходящо оразмеряване на времето за включване и изключване на L, това също означава, че изходът напрежението в конвертора за долар може да бъде предварително определено чрез изчисляване на времето за включване на T1.

Формулата за изразяване на изхода на конвертора на долари може да се види в дадената по-долу връзка:

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

където V (in) е напрежението на източника, t (ON) е времето за включване на транзистора,

и T е „периодичното време“ или периодът от един пълен цикъл на ШИМ, т.е. времето, необходимо за завършване на едно пълно включено време + едно пълно пълно изключване.

Решен пример:

Нека се опитаме да разберем горната формула с решен пример:

Да приемем ситуация, при която преобразувател на долар се управлява с V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (време за включване + време за изключване)

t (ON) = 1 ms

Замествайки ги в горната формула, получаваме:

V (изход) = 24 x 0,001 / 0,004 = 6V

Следователно V (навън) = 6V

Сега нека да увеличим времето на транзистора, като направим t (ON) = 1.5ms

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

От горните примери става съвсем ясно, че при превключващ момент на преобразувател на преобразувател t (ON) на транзистора се управлява изходното напрежение или необходимото напрежение Buck, като по този начин всяка стойност между 0 и V (in) може да бъде постигната просто чрез подходящо оразмеряване на Време за включване на превключващия транзистор.

Buck Converter за отрицателни консумативи

Схемата на конвертора за долар, която обсъждахме досега, е проектирана да отговаря на положителните приложения на захранването, тъй като изходът е в състояние да генерира положителен потенциал по отношение на входното заземяване.

Въпреки това за приложения, които може да изискват отрицателно предлагане, дизайнът може да бъде леко модифициран и направен съвместим с такива приложения.

Фигурата по-горе показва, че чрез просто размяна на позициите на индуктора и диода, изходът от преобразувателя може да бъде обърнат или направен отрицателен по отношение на наличния общ заземен вход.