Comment fonctionnent les convertisseurs Buck

L'article ci-dessous présente un savoir-faire complet sur le fonctionnement des convertisseurs buck.

Comme son nom l'indique, un convertisseur abaisseur est conçu pour s'opposer ou restreindre un courant d'entrée provoquant une sortie qui peut être bien inférieure à l'entrée fournie.

En d'autres termes, il peut être considéré comme un convertisseur abaisseur qui pourrait être utilisé pour acquérir des tensions calculées ou des courants inférieurs à la tension d'entrée.

Apprenons-en plus sur le fonctionnement de convertisseurs buck dans les circuits électroniques à travers la discussion suivante:

Le convertisseur Buck

En règle générale, vous pouvez trouver un convertisseur abaisseur utilisé dans les circuits SMPS et MPPT qui nécessitent spécifiquement que la tension de sortie soit réduite de manière significative par rapport à la puissance de la source d'entrée, sans affecter ou modifier la puissance de sortie, c'est-à-dire la valeur V x I.

La source d'alimentation d'un convertisseur abaisseur peut provenir d'une prise secteur ou d'une alimentation électrique continue.

Un convertisseur abaisseur est utilisé uniquement pour les applications où une isolation électrique peut ne pas être requise de manière critique entre la source d'alimentation d'entrée et la charge, mais pour les applications où l'entrée peut être au niveau du secteur, une topologie de retour est normalement utilisée via un transformateur d'isolement.

Le dispositif principal qui est utilisé comme agent de commutation dans un convertisseur abaisseur pourrait être sous la forme d'un mosfet ou d'un BJT de puissance (tel qu'un 2N3055), qui est configuré pour commuter ou osciller à une vitesse rapide grâce à un étage oscillateur intégré avec sa base ou porte.

Le deuxième élément important dans un convertisseur abaisseur est l'inductance L, qui stocke l'électricité du transistor pendant ses périodes ON et la libère pendant ses périodes OFF en maintenant une alimentation continue à la charge au niveau spécifié.

Cette étape est également appelée 'Volant' étape puisque sa fonction ressemble à un volant mécanique qui est capable de maintenir une rotation continue et régulière à l'aide de poussées régulières d'une source externe.

Entrée CA ou CC?

Un convertisseur abaisseur est essentiellement un circuit convertisseur CC-CC conçu pour acquérir une alimentation à partir d'une source CC, qui peut être une batterie ou un panneau solaire. Cela peut également provenir d'une sortie d'adaptateur CA / CC obtenue via un pont redresseur et un condensateur de filtre.

Quelle que soit la source du courant continu d'entrée du convertisseur abaisseur, il est invariablement converti en haute fréquence à l'aide d'un circuit oscillateur hacheur avec un étage PWM.

Cette fréquence est ensuite fournie au dispositif de commutation pour les actions de convertisseur abaisseur requises.

Fonctionnement du convertisseur Buck

Comme discuté dans la section ci-dessus concernant le fonctionnement d'un convertisseur abaisseur, et comme on peut le voir sur le schéma suivant, le circuit convertisseur abaisseur comprend un transistor de commutation et un circuit de volant associé qui comprend la diode D1, l'inductance L1 et le condensateur C1.

Pendant les périodes où le transistor est passant, la puissance passe d'abord par le transistor puis par l'inductance L1 et enfin vers la charge. Dans le processus, l'inducteur, en raison de sa propriété inhérente, tente de s'opposer à l'introduction soudaine de courant en stockant l'énergie qu'il contient.

Cette opposition par L1 empêche le courant de l'entrée appliquée d'atteindre la charge et d'atteindre la valeur de crête pour les instants de commutation initiaux.

Cependant, entre-temps, le transistor entre dans sa phase de coupure, coupant l'alimentation d'entrée de l'inducteur.

Avec l'alimentation coupée, L1 fait à nouveau face à un changement soudain du courant, et pour compenser le changement, il évacue l'énergie stockée à travers la charge connectée

Période d’activation du transistor

En se référant à la figure ci-dessus, alors que le transistor est en phase de mise en marche, il permet au courant d'atteindre la charge, mais pendant les instants initiaux de la mise en marche, le courant est fortement limité en raison de l'opposition des inducteurs à l'application soudaine du courant à travers elle.

Cependant, dans le processus, l'inducteur répond et compense le comportement en stockant le courant dans celui-ci, et dans le cours, une partie de l'alimentation est autorisée à atteindre la charge et également au condensateur C1, qui stocke également la partie autorisée de l'alimentation en elle .

Il convient également de prendre en compte le fait que, même si ce qui précède se produit, la cathode D1 subit un potentiel positif complet qui la maintient polarisée en inverse, ce qui rend impossible pour l'énergie stockée de L1 d'obtenir un chemin de retour à travers la charge via la charge. Cette situation permet à l'inducteur de continuer à stocker l'énergie à l'intérieur sans aucune fuite.

Période de coupure du transistor

En se référant maintenant à la figure ci-dessus, lorsque le transistor retourne son action de commutation, c'est-à-dire dès qu'il est éteint, le L1 est à nouveau introduit avec un vide soudain de courant, auquel il répond en libérant l'énergie stockée vers la charge dans sous la forme d'une différence de potentiel équivalente.

Maintenant, puisque le T1 est éteint, la cathode de D1 est déchargée du potentiel positif et elle est activée avec une condition de base directe.

En raison de la condition polarisée en direct de D1, l'énergie L1 libérée ou la force contre-électromotrice lancée par le L1 est autorisée à terminer le cycle à travers la charge, D1 et retour à L1.

Pendant que le processus se termine, l'énergie L1 subit une baisse exponentielle en raison de la consommation de la charge. C1 vient maintenant à la rescousse et assiste ou aide l'EMF L1 en ajoutant son propre courant stocké à la charge, assurant ainsi une tension instantanée raisonnablement stable à la charge ... jusqu'à ce que le transistor se rallume pour rafraîchir le cycle.

L'ensemble de la procédure permet l'exécution de l'application de convertisseur abaisseur souhaitée dans laquelle seule une partie calculée de la tension et du courant d'alimentation est autorisée pour la charge, au lieu de la tension de crête relativement plus grande de la source d'entrée.

Cela peut être vu sous la forme d'une forme d'onde d'ondulation plus petite au lieu des énormes ondes carrées de la source d'entrée.

Dans la section ci-dessus, nous avons appris exactement comment fonctionnent les convertisseurs buck, dans la discussion suivante, nous allons approfondir et apprendre la formule pertinente pour déterminer les différents paramètres liés aux convertisseurs buck.

Formule de calcul de la tension Buck dans un circuit de convertisseur Buck

De la décision ci-dessus, nous pouvons conclure que le courant maximum stocké à l'intérieur de L1 dépend du temps ON du transistor, ou que la force contre-électromotrice de L1 peut être dimensionnée en dimensionnant de manière appropriée le temps ON et OFF de L, cela implique également que la sortie la tension dans un convertisseur abaisseur peut être prédéterminée en calculant le temps ON de T1.

La formule pour exprimer la sortie du convertisseur abaisseur peut être observée dans la relation ci-dessous:

V (sortie) = {V (entrée) x t (ON)} / T

où V (in) est la tension source, t (ON) est le temps ON du transistor,

et T est le «temps périodique» ou la période d'un cycle complet du PWM, c'est-à-dire le temps nécessaire pour terminer un temps ON complet + un temps OFF complet.

Exemple résolu:

Essayons de comprendre la formule ci-dessus avec un exemple résolu:

Supposons une situation dans laquelle un convertisseur abaisseur fonctionne avec V (in) = 24V

T = 2ms + 2ms (temps ON + temps OFF)

t (MARCHE) = 1 ms

En les remplaçant dans la formule ci-dessus, nous obtenons:

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

Donc V (out) = 6V

Maintenant, augmentons le temps du transistor en faisant t (ON) = 1,5 ms

Par conséquent, V (sortie) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9 V

À partir des exemples ci-dessus, il devient assez clair que dans un convertisseur abaisseur, le temps de commutation t (ON) du transistor régit la tension de sortie ou la tension Buck requise, ainsi toute valeur entre 0 et V (in) pourrait être obtenue simplement en dimensionnant de manière appropriée le Temps de marche du transistor de commutation.

Convertisseur Buck pour fournitures négatives

Le circuit convertisseur abaisseur dont nous avons parlé jusqu'à présent est conçu pour s'adapter aux applications d'alimentation positive, car la sortie est capable de générer un potentiel positif en référence à la masse d'entrée.

Cependant, pour les applications qui pourraient nécessiter une alimentation négative, la conception pourrait être légèrement modifiée et rendue compatible avec de telles applications.

La figure ci-dessus montre qu'en échangeant simplement les positions de l'inductance et de la diode, la sortie du convertisseur abaisseur peut être inversée ou rendue négative par rapport à l'entrée de masse commune disponible.