Come funzionano i convertitori buck

L'articolo seguente presenta un know-how completo su come funzionano i convertitori buck.

Come suggerisce il nome, un convertitore buck è progettato per opporsi o limitare una corrente di ingresso che causa un'uscita che può essere molto inferiore all'ingresso fornito.

In altre parole può essere considerato un convertitore step down che potrebbe essere utilizzato per acquisire tensioni o correnti calcolate inferiori alla tensione di ingresso.

Impariamo di più riguardo al funzionamento di convertitori buck in circuiti elettronici attraverso la seguente discussione:

Il convertitore buck

Tipicamente è possibile trovare un convertitore buck utilizzato nei circuiti SMPS e MPPT che richiedono specificamente che la tensione di uscita venga ridotta in modo significativo rispetto alla potenza della sorgente di ingresso, senza influenzare o alterare la potenza in uscita, ovvero il valore V x I.

La fonte di alimentazione di un convertitore buck potrebbe provenire da una presa CA o da un alimentatore CC.

Un convertitore buck viene utilizzato solo per quelle applicazioni in cui un isolamento elettrico potrebbe non essere richiesto in modo critico tra la fonte di alimentazione in ingresso e il carico, tuttavia per le applicazioni in cui l'ingresso può essere a livello di rete, viene normalmente utilizzata una topologia flyback attraverso un trasformatore di isolamento.

Il dispositivo principale che viene utilizzato come agente di commutazione in un convertitore buck potrebbe essere sotto forma di un mosfet o un BJT di potenza (come un 2N3055), che è configurato per commutare o oscillare a una velocità rapida attraverso uno stadio oscillatore integrato con la sua base o cancello.

Il secondo elemento importante in un convertitore buck è l'induttore L, che immagazzina l'elettricità dal transistor durante i suoi periodi ON e la rilascia durante i suoi periodi OFF mantenendo un'alimentazione continua al carico al livello specificato.

Questa fase è indicata anche come 'Volano' stadio in quanto la sua funzione ricorda un volano meccanico in grado di sostenere una rotazione continua e costante con l'ausilio di spinte regolari provenienti da una sorgente esterna.

Ingresso CA o CC?

Un convertitore buck è fondamentalmente un circuito convertitore da CC a CC progettato per acquisire un'alimentazione da una fonte CC, che può essere una batteria o un pannello solare. Questo potrebbe anche provenire da un'uscita dell'adattatore da CA a CC ottenuta tramite un raddrizzatore a ponte e un condensatore di filtro.

Indipendentemente da quale possa essere la sorgente dell'input CC al convertitore buck, viene invariabilmente convertito in alta frequenza utilizzando un circuito oscillatore chopper insieme a uno stadio PWM.

Questa frequenza viene quindi inviata al dispositivo di commutazione per le azioni del convertitore buck richieste.

Funzionamento del convertitore buck

Come discusso nella sezione precedente riguardo al funzionamento di un convertitore buck, e come si può vedere nel diagramma seguente, il circuito del convertitore buck include un transistor di commutazione e un circuito a volano associato che include il diodo D1, l'induttore L1 e il condensatore CI.

Durante i periodi in cui il transistor è acceso, l'alimentazione passa prima attraverso il transistor e poi attraverso l'induttore L1 e infine al carico. Nel processo, l'induttore a causa della sua proprietà intrinseca cerca di opporsi all'improvvisa introduzione di corrente immagazzinando l'energia in esso.

Questa opposizione di L1 impedisce alla corrente dall'ingresso applicato di raggiungere il carico e raggiungere il valore di picco per gli istanti di commutazione iniziali.

Tuttavia nel frattempo il transistor entra nella sua fase di spegnimento, interrompendo l'alimentazione in ingresso all'induttore.

Con l'alimentazione disinserita, L1 affronta nuovamente una variazione improvvisa della corrente e per compensare la variazione scarica l'energia accumulata attraverso il carico collegato

Periodo di 'accensione' dell'interruttore del transistor

Facendo riferimento alla figura sopra, mentre il transistor è in fase di accensione, permette alla corrente di raggiungere il carico, ma durante gli istanti iniziali di accensione la corrente è fortemente limitata per l'opposizione degli induttori all'applicazione improvvisa del corrente attraverso di essa.

Tuttavia nel processo l'induttore risponde e compensa il comportamento immagazzinando la corrente al suo interno, e nel corso una parte dell'alimentazione è autorizzata a raggiungere il carico e anche al condensatore C1, che immagazzina anche la parte consentita dell'alimentazione in esso .

Va anche tenuto presente che mentre accade quanto sopra, il catodo D1 sperimenta un pieno potenziale positivo che lo mantiene polarizzato inversamente, rendendo impossibile per l'energia immagazzinata di L1 ottenere un percorso di ritorno attraverso il carico attraverso il carico. Questa situazione consente all'induttore di continuare ad immagazzinare l'energia al suo interno senza perdite.

Periodo di 'spegnimento' dell'interruttore del transistor

Facendo ora riferimento alla figura sopra, quando il transistor ripristina la sua azione di commutazione, cioè non appena viene spento, l'L1 viene nuovamente introdotto con un improvviso vuoto di corrente, a cui risponde rilasciando l'energia immagazzinata verso il carico in la forma di una differenza potenziale equivalente.

Ora, poiché il T1 è spento, il catodo di D1 è alleviato dal potenziale positivo e viene abilitato con una condizione basata in avanti.

A causa della condizione polarizzata in avanti di D1, l'energia L1 rilasciata o l'EMF posteriore calciato da L1 può completare il ciclo attraverso il carico, D1 e tornare a L1.

Mentre il processo viene completato, l'energia L1 subisce un calo esponenziale a causa del consumo del carico. C1 ora viene in soccorso e assiste o aiuta l'EMF L1 aggiungendo la propria corrente immagazzinata al carico, garantendo così una tensione istantanea ragionevolmente stabile al carico ... fino a quando il transistor si riaccende per rinfrescare il ciclo.

L'intera procedura consente l'esecuzione dell'applicazione del convertitore buck desiderata in cui solo una parte calcolata della tensione e della corrente di alimentazione è consentita per il carico, invece della tensione di picco relativamente maggiore dalla sorgente di ingresso.

Questo può essere visto sotto forma di una forma d'onda di ondulazione più piccola invece delle enormi onde quadre dalla sorgente di ingresso.

Nella sezione precedente abbiamo appreso esattamente come funzionano i convertitori buck, nella discussione seguente approfondiremo e impareremo la formula pertinente per determinare i vari parametri relativi ai convertitori buck.

Formula per calcolare la tensione buck in un circuito convertitore buck

Dalla decisione di cui sopra possiamo concludere che la corrente massima immagazzinata all'interno di L1 dipende dal tempo di ON del transistor, oppure il back EMF di L1 può essere dimensionato dimensionando opportunamente il tempo di ON e OFF di L, ciò implica anche che l'uscita la tensione in un convertitore buck può essere predeterminata calcolando il tempo ON di T1.

La formula per esprimere l'uscita del convertitore buck può essere osservata nella relazione indicata di seguito:

V (uscita) = {V (entrata) x t (ON)} / T

dove V (in) è la tensione della sorgente, t (ON) è il tempo di accensione del transistor,

e T è il 'tempo periodico' o il periodo di un ciclo completo del PWM, ovvero il tempo impiegato per completare un tempo di accensione completo + un tempo di spegnimento completo.

Esempio risolto:

Proviamo a capire la formula sopra con un esempio risolto:

Supponiamo una situazione in cui un convertitore buck funziona con V (in) = 24V

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

t (ON) = 1ms

Sostituendoli nella formula sopra otteniamo:

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

Quindi V (out) = 6V

Ora aumentiamo il tempo del transistor rendendo t (ON) = 1.5ms

Pertanto, V (out) = 24 x 0,0015 / 0,004 = 9V

Dagli esempi precedenti diventa abbastanza chiaro che in un convertitore buck il tempo di commutazione t (ON) del transistor governa la tensione di uscita o la tensione Buck richiesta, quindi qualsiasi valore compreso tra 0 e V (in) potrebbe essere ottenuto semplicemente dimensionando opportunamente il Tempo di accensione del transistor di commutazione.

Convertitore buck per forniture negative

Il circuito del convertitore buck di cui abbiamo discusso finora è progettato per adattarsi alle applicazioni di alimentazione positiva, poiché l'uscita è in grado di generare un potenziale positivo con riferimento alla massa di ingresso.

Tuttavia, per applicazioni che potrebbero richiedere un'alimentazione negativa, il design potrebbe essere leggermente modificato e reso compatibile con tali applicazioni.

La figura sopra mostra che semplicemente invertendo le posizioni dell'induttore e del diodo, l'uscita dal convertitore buck può essere invertita o resa negativa rispetto all'ingresso di massa comune disponibile.