DC/DC-Abwärtswandler

Quelle: Ali Bazzi, Department of Electrical Engineering, University of Connecticut, Storrs, CT.

Es ist, zwar einfach, Schritt nach oben oder unten AC-Spannungen und Ströme mit Transformatoren erfordert verstärkt nach oben oder unten DC-Spannungen und Ströme in regulierten und effizient Stromrichter umschalten. DC/DC-Buck-Konverters hackt die DC-Eingangsspannung mit einer Reihe Eingangsschalter, und die gehackten Spannung wird gefiltert durch die L-C Tiefpass-Filter, die durchschnittliche Ausgangsspannung zu extrahieren. Die Diode bietet einen Weg für den Strom, wenn der Schalter ausgeschaltet, für einen Teil der Schaltzeitraum ist Induktor. Die Ausgangsspannung ist kleiner als oder gleich der Eingangsspannung.

Das Ziel dieses Experiments ist, unterschiedliche Eigenschaften eines Buck-Konverter zu studieren. Die Step-Down-Fähigkeit des Konverters wird unter kontinuierlichen Wärmeleitung Modus (CCM) beobachtet werden, wo die aktuellen Induktivität ungleich Null ist. Open-Loop Betrieb mit einer manuell-Set Tastverhältnis wird verwendet. Eine Annäherung an die Input-Output-Beziehung wird beobachtet.

Linearregler (Serie und Shunt) Step-Down-Fähigkeit bieten können, aber höchst ineffizient sind, wenn die Ausgabe Eingangsspannung Rate sehr niedrig ist. Spannungsteiler kann auch step-down DC-Spannung, jedoch gibt es keine Regelung mit Variable Lasten beteiligt. Buck-Wandler präsentieren so effiziente und robuste DC Spannung Step-Down-Fähigkeiten.

Um einen Buck-Konverter zu bauen, können wir mit der Schaltung in Abb. 1a unten beginnen. Wenn der Schalter auf einen Teil (D) den Schaltzeitraum (T) ist, sind die Ausgangsspannung (V_o) und Eingangsspannung (V_in) gleich. Wenn der Schalter für eine Portion (1-D) der Periode ausgeschaltet ist, ist die Ausgangsspannung Null. Dadurch entsteht eine Rechtecksignal Ausgangsspannung, deren Durchschnitt (dargestellt durch Klammern < >) geringer als die der Eingangsspannung ist: < V_o> = V_oD + V_o(1-D) = V_inD + 0(1-D) = V_inD.

Zur Minimierung der aktuellen Ausgangswelligkeit und somit die Ausgangsspannung ripple mit eine ohmsche Last, eine Induktivität wird hinzugefügt, wie in Abb. 1 dargestellt. Das Problem mit einer Induktivität ist, dass es Stromfluss beibehält, bis seine gespeicherte Energie freigesetzt wird, also wenn der Schalter ausgeschaltet ist, einen großen dI/dt über den Schalter auftreten werden, da Strom fließen muss. Daher wird eine Freilaufdiode hinzugefügt einen Induktor Aktueller Pfad angeben, wie in Abb. 1 dargestellt. Jedoch die Induktivität Induktivität müssen sehr groß sein, um sehr niedrige Spannung Ausgangswelligkeit haben werden, und ein Kondensator muss hinzugefügt werden, reduzieren Sie die Größe der Induktivität und bieten eine saubere DC-Spannung Ausgang an der Last, wie in Abb. 1 Buchstabe d gezeigt.

Abbildung 1. Schritte zum Aufbau einer Buck-Konverters

Im weiteren Verlauf dieses Experiment wird es gezeigt, dass die durchschnittliche Ausgangsspannung steigen werden, da das Tastverhältnis, D, erhöht. Mit höher Schaltfrequenzen, verringert sich die Welligkeit der Spannung am Ausgang seit der Spannung aufladen und Entladen Zeiten an den Kondensator werden mit einer verringerten Schaltfrequenz deutlich kürzer.

Dieses Experiment wird die DC-DC Konverter Verpflegung HiRel Systeme nutzen. http://www.hirelsystems.com/Shop/Power-Pole-Board.HTML

Informationen über den Vorstand Betrieb finden Sie in diesem Video Sammlungen "Introduction to HiRel Board."

Das hier gezeigte Verfahren gilt für jede einfache Buck-Konverter-Schaltung, die auf Proto-Boards, Frühstück Bretter oder Leiterplatten aufgebaut werden kann.

(1) Board-setup

1. ±12 Signal anschließen an der Buchse "DIN" aber halten "S90" aus.
2. Stellen Sie sicher, dass die PWM-Steuerung-Selektor auf die offene Regelkreis-steht.
3. Das DC-Netzteil auf 24 V. halten die Ausgabe vom Spielfeld getrennt festgelegt.
4. Vor dem Anschließen des Last Widerstands, 12 Ω angepasst.
5. Bauen Sie die Schaltung in Abb. 2 gezeigt, indem die oberen MOSFET, untere Diode und BB Magnettafel. Notieren Sie sich die Induktivität Wert gezeigt im Vorstand. Beachten Sie, dass die BB-Magnettafel eine Induktivität mit zwei Terminals, die in den DC / DC Konverter (Strommast) Vorstand einstecken.
   1. Schließen Sie "R_L"auf "V2 +" und "Com"
   2. Sicherstellen, dass der Schalter-Array für MOSFET Auswahl, PWM-Auswahl, und andere Einstellungen sind wie in Abb. 2 dargestellt.

Abbildung 2 . Wandlerschaltung Bock

2. Einstellen der Einschaltdauer und Schalthäufigkeit

1. Verbinden Sie die Differenzialfühler über das Tor zur Quelle der oberen MOSFETs.
2. Schalten Sie "S90." Ein Schaltsignal sollte auf dem Oszilloskop Bildschirm angezeigt werden.
   1. Passen Sie die Signal-Zeit-Achse um zwei oder drei Punkte zu sehen.
   2. Stellen Sie die Frequenz Potentiometer um eine Frequenz von 100 kHz (Zeitraum von 10µs) zu erreichen.
   3. Passen Sie das Dienst Verhältnis Potentiometer um ein Tastverhältnis von 50 % zu erreichen.

(3) Buck Converter für Variable Eingabe testen

1. Schließen Sie die Eingabe DC-Stromversorgung, die bereits bei 24 V, "V1 +" und "Com" eingestellt
2. Verbinden Sie die Differenzialfühler über das Tor zur Quelle der oberen MOSFETs.
   1. Verbinden Sie die andere Sonde über die Last. Stellen Sie sicher, dass der Boden-Anschluss für "Com"
3. Erfassen Sie die Wellenformen zu und Messen Sie die Ausgang Spannung bedeuten und Einschaltzeit der Gate-Source-Spannung (auch das Tastverhältnis).
   1. Erfassen der Eingangsstrom und Spannung Lesungen auf dem DC-Netzteil.
4. Passen Sie die Eingangsspannung 21 V, 18 V und 15 V, und wiederholen Sie die oben genannten Schritte für jede dieser Spannungen.
5. Trennen Sie den Eingang DC liefern und passen Sie die Leistung auf 24 V.

(4) Buck Converter für Variable Einschaltverhältnis testen

1. Verbinden Sie die Differenzialfühler über das Tor zur Quelle der oberen MOSFETs.
   1. Verbinden Sie die andere Sonde über die Last. Stellen Sie sicher, dass der Boden-Anschluss für "Com"
2. Schließen Sie die DC-Eingangsspannung, die auf 24 V zwischen "V1 +" und "Com" festgelegt ist
3. Erfassen Sie die Wellenformen zu und Messen Sie die Ausgang Spannung bedeuten und Einschaltzeit der Gate-Source-Spannung (auch das Tastverhältnis).
   1. Erfassen der Eingangsstrom und Spannung Lesungen auf dem DC-Netzteil.
   2. Passen Sie das Einschaltverhältnis für drei Schritte Ihrer Wahl zwischen 30 % und 70 %. Wiederholen Sie die oben genannten Schritte für jede dieser drei Pflicht-Verhältnisse.
4. Setzen Sie das Einschaltverhältnis auf 50 %.
5. Trennen Sie den DC-Eingangsspannung.

(5) Buck Converter testen für Variable Taktfrequenz

1. Verbinden Sie die Differenzialfühler über das Tor zur Quelle der oberen MOSFETs.
2. Verbinden Sie die andere Sonde über die Last. Stellen Sie sicher, dass der Boden-Anschluss für "Com"
3. Schließen Sie den DC-Eingangsspannung "V1 +" und "Com"
4. Erfassen Sie die Wellenformen zu und Messen Sie die Ausgang Spannung bedeuten und Einschaltzeit der Gate-Source-Spannung (auch das Tastverhältnis).
   1. Aufzeichnung der Eingangsstrom und lesen auf die DC Spannung liefern.
   2. Passen Sie die Schaltfrequenz für drei Schritte Ihrer Wahl zwischen 5 kHz und 40 kHz. Wiederholen Sie die oben genannten Schritte für jede dieser drei Pflicht-Verhältnisse.
5. Schalten Sie den DC-Eingangsspannung und "S90", und dann zerlegen Sie die Schaltung zu.

Es wird erwartet das Ausgabe-Eingangsspannung Verhältnis von eine ideale Buck-Konverters auf die Einschaltdauer oder Tastverhältnis Dbezogen werden. Wenn die Eingangsspannung V_in und die Ausgangsspannung V_,, ist V_{, /}V_in D =, wobei 0≤D≤ 100 %. Also, für eine Eingangsspannung von 24 V, V_,≈ 12 V für D = 50 %, V_Out≈ 7,2 V für D = 30 %, und V_,≈ 16,8 V für D = 70 %. Dennoch werden die Ausgangsspannung niedriger als erwartet aus der idealen Beziehung, die linear mit der Einschaltdauer ist, und der Hauptgrund dafür ist, dass das Idealmodell Buck Konverter nicht für nicht-Idealities berücksichtigt und Spannungsabfälle im Konverter.

Buck-Wandler sind sehr häufig in elektronisches Gerät Ladegeräte wo sie ausgezeichnete Spannungsregelung bieten für Batterieladung erforderlich. Sie werden häufig verwendet in Stromversorgungen, die schalten Sie Computer, integrierte Schaltungen und elektronischen Baugruppen sowie in erneuerbaren Energieanwendungen und Batterie Systeme eingespeist.