Hoe Buck Converters werken

Het onderstaande artikel geeft een uitgebreide kennis van hoe buck-converters werken.

Zoals de naam al doet vermoeden, is een buck-converter ontworpen om een ​​ingangsstroom tegen te gaan of te beperken, waardoor een output ontstaat die veel lager kan zijn dan de geleverde input.

Met andere woorden, het kan worden beschouwd als een step-down-omzetter die kan worden gebruikt voor het verkrijgen van berekende spanningen of stromen die lager zijn dan de ingangsspanning.

Laten we meer leren over de werking van buck converters in elektronische schakelingen via de volgende discussie:

De Buck-omzetter

Meestal vindt u een buck-converter die wordt gebruikt in SMPS- en MPPT-circuits die specifiek vereisen dat de uitgangsspanning aanzienlijk wordt verlaagd dan het ingangsbronvermogen, zonder het uitgangsvermogen te beïnvloeden of te wijzigen, dat wil zeggen de V x I-waarde.

De voedingsbron naar een buck-converter kan een stopcontact of een gelijkstroomvoeding zijn.

Een buck-converter wordt alleen gebruikt voor die toepassingen waarbij een elektrische isolatie mogelijk niet kritisch vereist is over de ingangsvoedingsbron en de belasting, maar voor toepassingen waarbij de ingang zich op netspanning kan bevinden, wordt normaal gesproken een flyback-topologie gebruikt via een isolerende transformator.

Het hoofdapparaat dat wordt gebruikt als schakelmiddel in een buck-converter kan de vorm hebben van een mosfet of een power BJT (zoals een 2N3055), die is geconfigureerd om snel te schakelen of te oscilleren via een geïntegreerde oscillatortrap met zijn basis of poort.

Het tweede belangrijke element in een buck-converter is de inductor L, die de elektriciteit van de transistor tijdens zijn AAN-perioden opslaat en deze tijdens zijn UIT-perioden vrijgeeft, waarbij een continue toevoer naar de belasting op het gespecificeerde niveau wordt gehandhaafd.

Deze fase wordt ook wel de 'Vliegwiel' podium omdat zijn functie lijkt op een mechanisch vliegwiel dat in staat is om een ​​continue en gestage rotatie te ondersteunen met behulp van regelmatige duwtjes van een externe bron.

AC of DC invoeren?

Een buck-converter is in feite een DC naar DC-convertercircuit dat is ontworpen om voeding te krijgen van een DC-bron, die een batterij of een zonnepaneel kan zijn. Dit kan ook zijn van een AC-naar-DC-adapteruitgang die wordt bereikt via een bruggelijkrichter en een filtercondensator.

Wat de bron van de DC-ingang naar de buck-converter ook mag zijn, deze wordt altijd omgezet in een hoge frequentie met behulp van een chopperoscillatorcircuit samen met een PWM-trap.

Deze frequentie wordt vervolgens naar de schakelinrichting gestuurd voor de vereiste buck-converteracties.

Buck Converter-bediening

Zoals besproken in de bovenstaande sectie met betrekking tot de werking van een buck-converter, en zoals te zien is in het volgende diagram, bevat de buck-convertercircuit een schakeltransistor en een bijbehorend vliegwielcircuit dat de diode D1, de inductor L1 en de condensator C1 omvat.

Gedurende de perioden dat de transistor AAN is, gaat het vermogen eerst door de transistor en vervolgens door de inductor L1 en tenslotte naar de belasting. In het proces probeert de inductor vanwege zijn inherente eigenschap de plotselinge introductie van stroom tegen te gaan door de energie erin op te slaan.

Deze oppositie door L1 verhindert de stroom van de aangelegde ingang om de belasting te bereiken en de piekwaarde voor de initiële schakelmomenten te bereiken.

In de tussentijd komt de transistor echter in de uitschakelfase, waardoor de ingangstoevoer naar de inductor wordt onderbroken.

Als de voeding is uitgeschakeld, wordt L1 weer geconfronteerd met een plotselinge verandering in de stroom, en om de verandering te compenseren, wordt de opgeslagen energie weggespoeld over de aangesloten belasting

Transistorschakelaar 'aan'-periode

Verwijzend naar de bovenstaande afbeelding, terwijl de transistor zich in de inschakelfase bevindt, kan de stroom de belasting bereiken, maar tijdens de eerste momenten van de schakelaar AAN is de stroom sterk beperkt vanwege de weerstand van de inductoren tegen de plotselinge toepassing van de stroom erdoorheen.

In het proces reageert de inductor echter en compenseert het gedrag door de stroom erin op te slaan, en in de loop van de tijd mag een deel van de voeding de belasting bereiken en ook naar de condensator C1, die ook het toegestane deel van de voeding erin opslaat. .

Er moet ook rekening mee worden gehouden dat terwijl het bovenstaande gebeurt, de D1-kathode een volledig positief potentieel ervaart, waardoor deze in omgekeerde richting wordt voorgespannen, waardoor het voor de opgeslagen energie van de L1 onmogelijk wordt om via de belasting een retourpad over de belasting te krijgen. Door deze situatie kan de inductor de energie erin blijven opslaan zonder lekken.

Transistor Schakel ‘uit’ periode

Verwijzend nu naar de bovenstaande figuur, wanneer de transistor zijn schakelactie terugkeert, dat wil zeggen zodra hij is uitgeschakeld, wordt de L1 opnieuw geïntroduceerd met een plotselinge leegte van stroom, waarop hij reageert door de opgeslagen energie vrij te geven naar de belasting in de vorm van een gelijkwaardig potentiaalverschil.

Nu, aangezien de T1 is uitgeschakeld, wordt de kathode van D1 ontheven van het positieve potentieel en wordt deze ingeschakeld met een voorwaarts gebaseerde toestand.

Vanwege de voorwaartse vooringestelde toestand van D1, wordt de vrijgegeven L1-energie of de achter-EMF die door de L1 wordt geschopt, toegestaan ​​om de cyclus door de belasting, D1 en terug naar L1 te voltooien.

Terwijl het proces wordt voltooid, ondergaat de L1-energie een exponentiële daling als gevolg van het verbruik van de belasting. C1 komt nu te hulp en helpt of helpt de L1 EMF door zijn eigen opgeslagen stroom aan de belasting toe te voegen, waardoor een redelijk stabiele momentane spanning naar de belasting wordt gegarandeerd ... totdat de transistor weer wordt ingeschakeld om de cyclus weer op te frissen.

De hele procedure maakt de uitvoering van de gewenste buck-convertertoepassing mogelijk, waarbij slechts een berekend deel van de voedingsspanning en stroom is toegestaan ​​voor de belasting, in plaats van de relatief grotere piekspanning van de ingangsbron.

Dit kan worden gezien in de vorm van een kleinere rimpelgolfvorm in plaats van de enorme vierkante golven van de ingangsbron.

In het bovenstaande gedeelte hebben we precies geleerd hoe buck converters werken, in de volgende discussie gaan we dieper in op de relevante formule voor het bepalen van de verschillende parameters met betrekking tot buck converters.

Formule voor het berekenen van de buck-spanning in een buck-convertercircuit

Uit de bovenstaande beslissing kunnen we concluderen dat de maximale opgeslagen stroom in L1 afhangt van de AAN-tijd van de transistor, of de achter-EMF van L1 kan worden gedimensioneerd door de AAN- en UIT-tijd van L op de juiste manier te dimensioneren, het impliceert ook dat de uitvoer spanning in een buck-converter kan vooraf worden bepaald door de AAN-tijd van T1 te berekenen.

De formule voor het uitdrukken van de output van de buck-converter kan worden gezien in de onderstaande relatie:

V (uit) = {V (in) x t (AAN)} / T

waarbij V (in) de bronspanning is, t (ON) de AAN-tijd van de transistor,

en T is de 'periodieke tijd' of de periode van één volledige cyclus van de PWM, dat wil zeggen de tijd die nodig is voor het voltooien van één volledige AAN-tijd + één volledige UIT-tijd.

Opgelost voorbeeld:

Laten we proberen de bovenstaande formule te begrijpen met een opgelost voorbeeld:

Laten we een situatie aannemen waarin een buck-converter wordt bediend met V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (AAN-tijd + UIT-tijd)

t (AAN) = 1 ms

Als we deze in de bovenstaande formule vervangen, krijgen we:

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

Daarom V (uit) = 6V

Laten we nu de transistortijd verhogen door t (AAN) = 1,5 ms te maken

Daarom V (uit) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Uit de bovenstaande voorbeelden wordt vrij duidelijk dat in een buck-converter de schakeltijd t (ON) van de transistor de uitgangsspanning of de vereiste buck-spanning regelt, dus elke waarde tussen 0 en V (in) zou eenvoudig kunnen worden bereikt door de juiste dimensionering van de transistor. AAN-tijd van de schakeltransistor.

Buck Converter voor negatieve leveringen

Het buck-convertercircuit dat we tot nu toe hebben besproken, is ontworpen voor positieve voedingstoepassingen, omdat de uitvoer een positief potentieel kan genereren met betrekking tot de ingangsaarde.

Voor toepassingen die mogelijk een negatieve voeding vereisen, kan het ontwerp enigszins worden gewijzigd en compatibel worden gemaakt met dergelijke toepassingen.

De bovenstaande afbeelding laat zien dat door simpelweg de posities van de inductor en de diode te verwisselen, de output van de buck-converter kan worden omgekeerd of negatief kan worden gemaakt ten opzichte van de beschikbare common ground-ingang.