DC-DC Converters (Παλμοτροφοδοτικά). Μέρος 2ο.

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

Σε προηγούμενο άρθρο είδαμε πως περίπου λειτουργεί ένας Buck ή Step-Down Converter. Θα δούμε παρόμοια πράγματα για κάποιες άλλες κατηγορίες DC-DC μετατροπέων.

Boost

Boost (ή Step Up) Converter.

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

boost-1

Όταν ο διακόπτης στο παραπάνω κύκλωμα είναι κλειστός (On), ρεύμα ρέει μέσω του πηνίου (με την φορά που βλέπουμε στο παρακάτω σχήμα). Στο πηνίο αποθηκεύεται ενέργεια με την μορφή μαγνητικού πεδίου. Το πηνίο αντιστέκεται στο ρεύμα, οπότε η πολικότητα του είναι θετική στο αριστερό άκρο και αρνητική στο δεξί άκρο.

boost-2

Όταν ο διακόπτης ανοίξει (Off) το ρεύμα θα αρχίσει να μειώνεται, αφού η συνολική αντίσταση του κυκλώματος μεγαλώνει. Το πηνίο θα χρησιμοποιήσει την ενέργεια που έχει αποθηκεύσει ώστε να αναιρέσει την μεταβολή του ρεύματος (που μικραίνει). Οπότε θα αντιστρέψει την πολικότητα του (αριστερό άκρο αρνητικό, δεξί θετικό). Αποτέλεσμα του παραπάνω είναι η τάση της πηγής και του πηνίου να προστίθενται και ο πυκνωτής, μέσω της διόδου, να φορτίζεται σε μία τάση μεγαλύτερη της πηγής.

Όπως και στον buck converter η συχνότητα λειτουργίας είναι μεγάλη. Συνολικά το φορτίο “βλέπει” πάντα μία τάση μεγαλύτερη από την τάση της πηγής τροφοδοσίας. Και πάλι η τάση εξόδου (στο φορτίο) εξαρτάται από τον κύκλο εργασίας. Έτσι αν έχουμε έλεγχο με PWM μπορούμε να ελέγχουμε την τάση εξόδου ενός Boost converter.

Παρακάτω βλέπουμε το κύκλωμα και την εξομοίωση ενός Boost Converter στο πρόγραμμα LTSpice. Στην θέση του διακόπτη S θα μπορούσαμε να έχουμε κάλλιστα ένα MOSFET. O λόγος που χρησιμοποιούμε τον διακόπτη είναι για τον μικρότερο χρόνο εξομοίωσης και για να είναι ευανάγνωστο το σχέδιο.

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

Boost_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%.

boost-out

Παραπάνω βλέπουμε την τάση εξόδου για τον παραπάνω μετατροπέα. Βλέπουμε πως η τάση εξόδου είναι μεγαλύτερη 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.

Buck-Boost Converter.

Ο Buck-Boost Converter ή μετατροπέας υποβιβασμού-ανύψωσης είναι ένα παλμοτροφοδοτικό συνεχούς σε συνεχές ρεύμα που η τάση εξόδου μπορεί να είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη (σε απόλυτη τιμή) από την τάση στην είσοδο του παλμοτροφοδοτικού. Από πολύ μεγαλύτερη έως σχεδόν μηδέν. Ένας τέτοιος μετατροπέας ακολουθεί το παρακάτω γενικό σχέδιο.

buck-boost-1

Η τάση εξόδου σε έναν τέτοιο DC-DC μετατροπέα έχει αντίθετη πολικότητα από αυτή της πηγής. Και πάλι η τάση εξόδου εξαρτάται από τον κύκλο εργασίας που παλμού που ελέγχει τον ηλεκτρονικό διακόπτη.

buck-boost-2

Όταν ο διακόπτης κλείνει (On) για πρώτη φορά η δίοδος δεν επιτρέπει την ροή ρεύματος προς το φορτίο. Έτσι όλο το ρεύμα ρέει μέσα από το πηνίο. Το πηνίο αντιδρά στην αλλαγή του ρεύματος αυξάνοντας την τάση στα άκρα του ώστε να αντιστέκεται στην πηγή. Το ρεύμα θα αρχίσει να αυξάνεται τελικά και το πηνίο θα αρχίσει να αποθηκεύει ενέργεια με την μορφή μαγνητικού πεδίου.

Όταν ο διακόπτης τελικά ανοίξει (Off), το πηνίο αποσυνδέεται από την πηγή και το ρεύμα αρχίζει να μικραίνει. Το πηνίο αντιδρά πάλι στην αλλαγή αυτή αναλαμβάνοντας τον ρόλο της πηγής, χρησιμοποιώντας την ενέργεια που έχει αποθηκεύσει σαν μαγνητικό πεδίο, στο κύκλωμα ώστε να συνεχίσει να ρέει ρεύμα. Από την στιγμή που το ρεύμα έρεε προς “τα κάτω” στο πηνίο, θα συνεχίσει να ρέει έτσι. Η τάση που “βλέπει” το φορτίο έχει ανεστραμμένη πολικότητα σε σχέση με την πηγή.

Όταν ο διακόπτης ξανακλείσει, το φορτίο τροφοδοτείται από τον φορτισμένο τώρα πυκνωτή και το πηνίο αρχίζει πάλι να αποθηκεύει ενέργεια με την μορφή μαγνητικού πεδίου.

Η τάση που “παρουσιάζεται” από το πηνίο στο φορτίο εξαρτάται από τον χρόνο που ο διακόπτης είναι ανοικτός και κλειστός. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός το ρεύμα στο πηνίο αυξάνεται εκθετικά. Όσο ποιο πολύ μένει κλειστός ο διακόπτης, τόσο μεγαλύτερο θα είναι το ρεύμα στο πηνίο. Όταν ο διακόπτης ανοίξει, είναι το ρεύμα αυτό που το πηνίο θα προσπαθήσει να αντισταθμίσει ενεργώντας σαν πηγή. Όσο ποιο μεγάλο το ρεύμα, τόσο ποιο μεγάλη η τάση στα άκρα του πηνίου. Έτσι όσο μεγαλύτερος ο χρόνος που μένει κλειστός ο διακόπτης τόσο μεγαλύτερη η τάση στην έξοδο (στα άκρα του φορτίου).

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

Buck-Boost_sch-1

Στο παραπάνω κύκλωμα ο διακόπτης ανοιγοκλείνει στον ρυθμό της PWM που έχει συχνότητα 100 kHz. Το εύρος της (κύκλος εργασίας, dutty cycle) μεταβάλλεται από 10% έως 90%.

buck-boost-out

Παραπάνω βλέπουμε την τάση εξόδου για τον παραπάνω μετατροπέα. Βλέπουμε πως η τάση εξόδου είναι πολύ μικρότερη από αυτή της εισόδου (Vin=5 v) όταν το εύρος του παλμού της PWM είναι μικρό. Όσο αυξάνεται ο χρόνος που είναι κλειστός ο διακόπτης, αυξάνει το εύρος του παλμού της PWM δηλαδή, αυξάνεται και η τάση στην έξοδο του μετατροπέα. Η τάση αυτή γίνεται αρκετά μεγαλύτερη από την τάση εισόδου.

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