DC-DC Converters (Παλμοτροφοδοτικά). Μέρος 1ο.

Σημείωση: Τα παρακάτω αποτελούν εκπαιδευτικό βοήθημα για αρχάριους και σε καμία περίπτωση δεν απευθύνεται σε επαγγελματίες σχεδιαστές κτλ.

Ένα παλμοτροφοδοτικό είναι ένα ηλεκτρονικό τροφοδοτικό που χρησιμοποιεί ένα “διακοπτόμενο” στοιχείο για την μετατροπή της ηλεκτρικής ισχύος με αποδοτικό τρόπο. Όπως και άλλα τροφοδοτικά, ένα παλμοτροφοδοτικό μεταφέρει ισχύ από μία πηγή (για παράδειγμα την οικιακή πρίζα των 240 volts AC) σε ένα φορτίο (όπως ο ηλεκτρονικός υπολογιστής), μετατρέποντας όμως τα χαρακτηριστικά του ρεύματος και της τάσης. Σε αντίθεση με ένα γραμμικό τροφοδοτικό το τρανζίστορ εξόδου (σειράς) συνεχώς περνά από την κατάσταση κόρου στην κατάσταση αποκοπής. Ο χρόνος που περνά στην γραμμική του περιοχή, που είναι και η περιοχή που καταναλώνει την περισσότερη ενέργεια είναι πολύ μικρός. Ιδανικά, ένα παλμοτροφοδοτικό δεν θα κατανάλωνε καθόλου ενέργεια.

smps-1

Ο έλεγχος της τάσης στην έξοδο ενός παλμοτροφοδοτικού επιτυγχάνεται με τον χρόνο που είναι ενεργοποιημένο το “διακοπτόμενο” στοιχείο, προς τον χρόνο που παραμένει ανενεργό (Dutty Cycle ή Κύκλος Εργασίας). Εάν έχουμε διαμόρφωση εύρους παλμών δηλαδή ή PWM (Pulse Width Modulation), θα μπορούμε να ελέγχουμε την τάση εξόδου. Σε αντίθεση με ένα γραμμικό τροφοδοτικό που συνεχώς καταναλώνεται ενέργεια πάω στο στοιχείο εξόδου (σειράς).

smps-2

 
 

Buck (ή Step Down) Converter.

Ο Buck Converter, ή μετατροπέας υποβιβασμού είναι ένα παλμοτροφοδοτικό συνεχούς σε συνεχές ρεύμα που η τάση εξόδου είναι μικρότερη από την τάση στην είσοδο του παλμοτροφοδοτικού. Ένας τέτοιος μετατροπέας ακολουθεί το παρακάτω γενικό σχέδιο.

buck-1

Όταν ο διακόπτης στο παραπάνω κύκλωμα είναι ανοικτός (Off) το ρεύμα που περνά από το κύκλωμα είναι μηδέν. Όταν ο διακόπτης κλείνει (On) για πρώτη φορά το ρεύμα αρχίζει να αυξάνεται, και το πηνίο θα αρχίσει να δημιουργεί μία τάση στα άκρα του που αντιστέκεται στην αλλαγή του ρεύματος.

buck-2

Αυτή η τάση στα άκρα του πηνίου αντιτάσσεται στην τάση της πηγής και έτσι η συνολική τάση που φτάνει στο φορτίο είναι μικρότερη από την τάση της πηγής. Με το πέρασμα του χρόνου, ο ρυθμός αλλαγής του ρεύματος μειώνεται, και επομένως μειώνεται η τάση στα άκρα του πηνίου. Έτσι αρχίζει να αυξάνεται η τάση στο φορτίο. Κατά την διάρκεια αυτή το πηνίο αποθηκεύει ενέργεια με την μορφή μαγνητικού πεδίο. Αν ο διακόπτης ανοίξει την ώρα που το ρεύμα ακόμη αλλάζει, τότε θα υπάρχει πάντα μία τάση (μικρότερη της πηγής) στα άκρα του πηνίου, οπότε η τάση στο φορτίο θα είναι πάντα μικρότερη από την τάση στην είσοδο.

Όταν ο διακόπτης ανοίξει, η πηγή τάσης αφαιρείται από το κύκλωμα, και το ρεύμα θα μειώνεται. Η αλλαγή αυτή στο ρεύμα θα προκαλέσει μία τάση στα άκρα του πηνίου, που τώρα θα τροφοδοτεί το φορτίο. Η αποθηκευμένη ενέργεια μαγνητικού πεδίου στο πηνίο εξασφαλίζει τώρα την ροή ρεύματος μέσα από το φορτίο. Κατά την διάρκεια αυτή το πηνίο αποφορτίζει την ενέργεια του στο κύκλωμα. Αν ο διακόπτης κλείσει πάλι πριν το πηνίο χάσει την ενέργεια του η τάση στο φορτίο θα είναι πάντα μεγαλύτερη από το μηδέν.

Ελέγχοντας τον χρόνο που ο διακόπτης μένει ανοικτός και κλειστός μπορούμε να ελέγχουμε την τάση που “βλέπει” το φορτίο.

Όλα τα παραπάνω γίνονται με πολύ γρήγορο ρυθμό. Όπως προαναφέρθηκε από δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες φορές κάθε δευτερόλεπτο (συνήθως πάνω από 50 kHz για να ήμαστε σίγουρα έκτος των συχνοτήτων που ακούει το ανθρώπινο αυτί).

Παρακάτω βλέπουμε το κύκλωμα και την εξομοίωση ενός Buck Converter στο πρόγραμμα LTSpice.

Buck_sch-1

Στο παραπάνω κύκλωμα ο ηλεκτρονικός διακόπτης (το MOSFET δηλαδή) ανοιγοκλείνει στον ρυθμό της PWM που έχει συχνότητα 31 kHz. Το εύρος της (κύκλος εργασίας, dutty cycle) μεταβάλλεται από 10% έως 90%.

Buck_sch-out

Παραπάνω βλέπουμε την τάση εξόδου για τον παραπάνω μετατροπέα. Βλέπουμε πως η τάση εξόδου είναι μικρότερη από αυτή της εισόδου (Vin=5 v). Όταν αλλάζει το εύρος της PWM αλλάζει και τάση εξόδου. Όσο αυξάνεται ο χρόνος που είναι κλειστός ο διακόπτης, αυξάνεται και τάση, χωρίς να μπορεί να ξεπεράσει την τάση εισόδου. Ακόμη και 99,9% να γίνει ο κύκλος εργασίας η τάση εξόδου θα είναι μικρότερη.

Η δίοδος στο παραπάνω κύκλωμα, και γενικά οι δίοδοι που χρησιμοποιούμε στα παλμοτροφοδοτικά, είναι γρήγορες δίοδοι (συνήθως Schotky), για να μπορούν να ανορθώνουν υψίσυχνες τάσεις.

Στο βίντεο που ακολουθεί έχουμε υλοποιήσει το παραπάνω κύκλωμα και επιβεβαιώνουμε την λειτουργία ενός πολύ απλού Buck ή Step Down μετατροπέα.

Ο κώδικα για το Arduino υπάρχει ΕΔΩ.

Advertisements
This entry was posted in AVR, Electronics and tagged , , , , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s