So funktionieren Buck-Konverter

Der folgende Artikel bietet ein umfassendes Know-how zur Funktionsweise von Buck-Konvertern.

Wie der Name schon sagt, ist ein Tiefsetzsteller so ausgelegt, dass er einem Eingangsstrom entgegenwirkt oder ihn einschränkt, wodurch ein Ausgang entsteht, der möglicherweise viel niedriger als der zugeführte Eingang ist.

Mit anderen Worten kann es als Abwärtswandler betrachtet werden, der zum Erfassen berechneter Spannungen oder Ströme verwendet werden kann, die niedriger als die Eingangsspannung sind.

Lassen Sie uns mehr über die Arbeitsweise von erfahren Tiefsetzsteller in elektronischen Schaltkreisen durch die folgende Diskussion:

Der Buck Converter

In der Regel wird in SMPS- und MPPT-Schaltungen ein Tiefsetzsteller verwendet, bei dem die Ausgangsspannung erheblich gegenüber der Eingangsquellenleistung reduziert werden muss, ohne die Ausgangsleistung, dh den V x I-Wert, zu beeinflussen oder zu verändern.

Die Versorgungsquelle für einen Abwärtswandler kann eine Wechselstromsteckdose oder eine Gleichstromversorgung sein.

Ein Tiefsetzsteller wird nur für Anwendungen verwendet, bei denen eine elektrische Isolation zwischen der Eingangsstromquelle und der Last möglicherweise nicht unbedingt erforderlich ist. Bei Anwendungen, bei denen der Eingang auf Netzebene liegen kann, wird normalerweise eine Flyback-Topologie über einen Trenntransformator verwendet.

Das Hauptgerät, das als Schaltmittel in einem Abwärtswandler verwendet wird, kann in Form eines Mosfets oder eines Leistungs-BJT (wie eines 2N3055) vorliegen, der so konfiguriert ist, dass er über eine integrierte Oszillatorstufe mit schnell schaltet oder schwingt seine Basis oder Tor.

Das zweite wichtige Element in einem Tiefsetzsteller ist der Induktor L, der den Strom aus dem Transistor während seiner EIN-Perioden speichert und ihn während seiner AUS-Perioden freigibt, wobei die Last kontinuierlich auf dem angegebenen Niveau versorgt wird.

Diese Stufe wird auch als bezeichnet 'Schwungrad' Stufe, da seine Funktion einem mechanischen Schwungrad ähnelt, das in der Lage ist, eine kontinuierliche und stetige Rotation mit Hilfe regelmäßiger Drücke von einer externen Quelle aufrechtzuerhalten.

Eingang AC oder DC?

Ein Abwärtswandler ist im Grunde eine DC / DC-Wandlerschaltung, die dazu ausgelegt ist, eine Versorgung von einer Gleichstromquelle zu erhalten, bei der es sich um eine Batterie oder ein Solarpanel handeln kann. Dies kann auch von einem AC / DC-Adapterausgang ausgehen, der über einen Brückengleichrichter und einen Filterkondensator erreicht wird.

Unabhängig von der Quelle des Eingangs-Gleichstroms zum Tiefsetzsteller wird er ausnahmslos unter Verwendung einer Chopper-Oszillatorschaltung zusammen mit einer PWM-Stufe in eine Hochfrequenz umgewandelt.

Diese Frequenz wird dann der Schaltvorrichtung für die erforderlichen Abwärtswandleraktionen zugeführt.

Buck Converter Betrieb

Wie im obigen Abschnitt bezüglich der Funktionsweise eines Abwärtswandlers erörtert, und wie aus dem folgenden Diagramm ersichtlich ist, enthält die Abwärtswandlerschaltung einen Schalttransistor und eine zugehörige Schwungradschaltung, die die Diode D1, die Induktivität L1 und den Kondensator C1 enthält.

Während der Perioden, in denen der Transistor eingeschaltet ist, fließt die Leistung zuerst durch den Transistor und dann durch die Induktivität L1 und schließlich zur Last. Dabei versucht der Induktor aufgrund seiner inhärenten Eigenschaft, dem plötzlichen Einleiten von Strom entgegenzuwirken, indem er die darin enthaltene Energie speichert.

Dieser Gegensatz von L1 verhindert, dass der Strom vom angelegten Eingang die Last erreicht und den Spitzenwert für die anfänglichen Schaltzeitpunkte erreicht.

In der Zwischenzeit tritt der Transistor jedoch in die Ausschaltphase ein und unterbricht die Eingangsversorgung des Induktors.

Bei ausgeschalteter Versorgung kommt es bei L1 erneut zu einer plötzlichen Änderung des Stroms. Um die Änderung zu kompensieren, wird die gespeicherte Energie über die angeschlossene Last ausgespült

Einschaltdauer des Transistors

Bezugnehmend auf die obige Abbildung ermöglicht es dem Transistor, während er sich in der Einschaltphase befindet, den Strom, die Last zu erreichen, aber während der anfänglichen Momente des Einschaltens ist der Strom aufgrund der Induktivitäten, die dem plötzlichen Anlegen der Last entgegenstehen, stark eingeschränkt Strom durch.

Dabei reagiert der Induktor jedoch und kompensiert das Verhalten, indem er den Strom darin speichert, und im Verlauf eines Teils kann die Versorgung die Last und auch den Kondensator C1 erreichen, der auch den zulässigen Teil der Versorgung darin speichert .

Es sollte auch berücksichtigt werden, dass die D1-Kathode während des oben genannten Vorgangs ein volles positives Potential erfährt, wodurch sie in Sperrrichtung vorgespannt bleibt, wodurch es der gespeicherten Energie des L1 unmöglich wird, über die Last einen Rückweg über die Last zu erhalten. Diese Situation ermöglicht es dem Induktor, die Energie ohne Leckagen weiter darin zu speichern.

Ausschaltdauer des Transistors

Unter Bezugnahme auf die obige Abbildung wird der L1 erneut mit einem plötzlichen Stromausfall eingeführt, wenn der Transistor seine Schaltwirkung zurücksetzt, dh sobald er ausgeschaltet wird, worauf er reagiert, indem er die gespeicherte Energie an die Last in abgibt die Form einer äquivalenten Potentialdifferenz.

Da nun der T1 ausgeschaltet ist, wird die Kathode von D1 vom positiven Potential entlastet und mit einer vorwärtsgerichteten Bedingung aktiviert.

Aufgrund des vorwärts vorgespannten Zustands von D1 kann die freigesetzte L1-Energie oder die vom L1 getretene Gegen-EMK den Zyklus durch die Last D1 und zurück zu L1 abschließen.

Während der Prozess abgeschlossen ist, fällt die L1-Energie aufgrund des Lastverbrauchs exponentiell ab. C1 kommt jetzt zur Rettung und unterstützt oder unterstützt die L1-EMF, indem es der Last seinen eigenen gespeicherten Strom hinzufügt, wodurch eine einigermaßen stabile Momentanspannung an der Last sichergestellt wird ... bis der Transistor wieder einschaltet, um den Zyklus wieder aufzufrischen.

Das gesamte Verfahren ermöglicht die Ausführung der gewünschten Abwärtswandleranwendung, bei der anstelle der relativ größeren Spitzenspannung von der Eingangsquelle nur ein berechneter Teil der Versorgungsspannung und des Versorgungsstroms für die Last zulässig ist.

Dies kann in Form einer kleineren Welligkeitswellenform anstelle der riesigen Rechteckwellen von der Eingangsquelle gesehen werden.

Im obigen Abschnitt haben wir genau gelernt, wie Buck-Konverter funktionieren. In der folgenden Diskussion werden wir uns eingehender mit der relevanten Formel zur Bestimmung der verschiedenen Parameter für Buck-Konverter befassen.

Formel zur Berechnung der Buck-Spannung in einem Buck-Wandlerkreis

Aus der obigen Entscheidung können wir schließen, dass der maximal gespeicherte Strom in L1 von der EIN-Zeit des Transistors abhängt oder dass die Gegen-EMK von L1 durch geeignete Dimensionierung der EIN- und AUS-Zeit von L dimensioniert werden kann. Dies impliziert auch, dass der Ausgang Die Spannung in einem Tiefsetzsteller kann durch Berechnung der Einschaltzeit von T1 vorbestimmt werden.

Die Formel zum Ausdrücken der Abwärtswandlerausgabe kann in der folgenden gegebenen Beziehung gesehen werden:

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

wobei V (in) die Quellenspannung ist, t (ON) die EIN-Zeit des Transistors ist,

und T ist die 'periodische Zeit' oder die Periode eines vollen Zyklus der PWM, dh die Zeit, die benötigt wird, um eine volle EIN-Zeit + eine volle AUS-Zeit abzuschließen.

Gelöstes Beispiel:

Versuchen wir, die obige Formel anhand eines gelösten Beispiels zu verstehen:

Nehmen wir eine Situation an, in der ein Tiefsetzsteller mit V (in) = 24 V betrieben wird

T = 2 ms + 2 ms (EIN-Zeit + AUS-Zeit)

t (EIN) = 1 ms

Wenn wir diese in die obige Formel einsetzen, erhalten wir:

V (out) = 24 × 0,001 / 0,004 = 6 V.

Daher ist V (out) = 6V

Erhöhen wir nun die Transistorzeit, indem wir t (ON) = 1,5 ms einstellen

Daher ist V (out) = 24 × 0,0015 / 0,004 = 9 V.

Aus den obigen Beispielen wird ziemlich klar, dass in einem Abwärtswandler die Schaltzeit t (EIN) des Transistors die Ausgangsspannung oder die erforderliche Abwärtsspannung regelt, so dass jeder Wert zwischen 0 und V (in) einfach durch geeignete Dimensionierung der erreicht werden kann Einschaltzeit des Schalttransistors.

Abwärtswandler für negative Lieferungen

Die bisher diskutierte Abwärtswandlerschaltung ist für Anwendungen mit positiver Versorgung ausgelegt, da der Ausgang ein positives Potential in Bezug auf die Eingangserde erzeugen kann.

Für Anwendungen, für die möglicherweise eine negative Versorgung erforderlich ist, kann das Design jedoch geringfügig geändert und mit solchen Anwendungen kompatibel gemacht werden.

Die obige Abbildung zeigt, dass durch einfaches Vertauschen der Positionen der Induktivität und der Diode der Ausgang des Tiefsetzstellers in Bezug auf den verfügbaren gemeinsamen Masseeingang invertiert oder negativ gemacht werden kann.