Convertorul coborâtor ( buck converter )

Transcript

1 Laboraor: lecronică Indusrială Lucrarea nr: 9 lecronică de Puere Converorul coborâor ( buck converer ) 1. Inroducere Circuiele de conversie c.c. c.c (eng. dc dc) au fos redenumie choppere odaă cu apariţia comuaoarelor pe siliciu (irisoare, riace), în engleza SRC (Silicon Conrolled Recifiers). În prezen, irisoarele sun rareori folosie în converoarele c.c. c.c., dar se folosesc pe scară largă ranzisoarele bipolare de puere, ranzisoarele MOSFT, şi acese converoare sun numie surse de puere în comuaţie. Sursele în comuaţie po fi de unul din urmăoarele ipuri: surse în comuaţie de ip coborâor. Tensiunea nesabilizaă de la inrare ese micşoraa penru a produce o ensiune coninua sabilizaă la ieşire. Cunoscue cu numele Buck Converer sau SepDown SMPS. chopper ridicăor. Tensiunea nesabilizaă de la inrare ese crescuă penru a produce o ensiune coninuă sabilizaă la ieşire. Cunoscue cu numele de BOOST Converer sau SepUp SMPS. converorul flyback. converorul mix. Tensiunea nesabilizaă de la inrare ese crescuă sau micşoraa penru a produce o ensiune coninua sabilizaa la ieşire. converoare rezonane. Aplicaţii ipice în care se folosesc surse de puere în comuaţie, chopperele, sun: mooare în c.c. încărcăoare penru baerie. surse de puere Vcc. La converoarele c.c. c.c. în comuaţie exisa câeva pariculariăţi penru inducanţele uilizae, care vor conduce un curen mare la frecvene înale. r fi uilizae fire liţae în locul celor răsucie la frecvenţe mai mari de 50 KHz, cu miezuri magneice de caliae penru reducerea pierderilor în miez. De asemenea şi condensaoarele sun soliciae. Acesea lucrează la frecvene înale, cu supracurenţi periodici. Trebuie verificae limiele de curen ale acesora înaine de a fi uilizae. Deci se va arage o aenţie mare asupra paramerilor de lucru ale inducanţelor şi capaciăţilor uilizae. În majoriaea circuielor de puere, diodele joacă un rol crucial. O dioda de puere normala ese proiecaă penru a lucra la 400 de Hz sau mai puţin. În majoriaea inveroarelor şi converoarelor c.c. c.c. lucrează la frecvenţe mul mai înale şi deci acese circuie necesiă diode care sa comue închis şi deschis rapid. În plus, ese de dori ca diodele să nu inroducă efec de regim ransien la comuaţie. De aceea ese foare imporana alegerea corecă a diodelor. 2.Converorul Buck(coborâor) descrierea funcionarii se un circui elecronic care are rolul să furnizeze la ieşire o ensiune consană şi de valoare mai mică decâ ensiunea de alimenare(v alim ). Regulaorul în comuaţie ese uiliza în locul regulaoarelor liniare de ensiune la pueri mari ale sarcinii(la curenţi mari).odaă ce 1

2 Laboraor: lecronică Indusrială Lucrarea nr: 9 lecronică de Puere dispoziivele de puere care lucrează în regulaoarele liniare disipă o pare mare din puerea sursei, acesea au nevoie de o răcire adecvaa şi duc la scăderea randamenului regulaorului. Să considerăm circuiul din Fig. 1, care conţine un comuaor cu două poziţii: Swich: A K Poziia comuaorului Vin B R V 0 Poz B Fig.1 Penru circuiul de mai sus, ensiunea de ieşire ese egală cu cea de la inrare când comuaorul ese pe poziţia A şi ese zero când comuaorul ese pe poziţia B. La varierea duraei penru care cheia ese pe poziţia A sau B, se va modifica ensiunea medie pe rezisenţă. Dar ensiunea de ieşire nu ese chiar coninuă. Tensiunea de ieşire ese compusă dinro ensiune coninuă şi o formă de undă drepunghiulară cu ensiunea medie nulă, ca în Fig. 2. Deci, prinro filrare adecvaă, se va obţine o ensiune coninuă pe sarcină, cu un riplu câ mai mic. La creşerea facorului de umplere, D, ensiunea medie (componena coninuă) va creşe, şi invers. Asfel,ensiunea coninuă de pe sarcina va puea fi reglaă prin searea facorului de umplere corec. V 0 D<1 D D (1D) Fig. 2 Descompunerea formei de unda a ensiunii de iesire Circuiul din Fig. 1 poae fi modifica după cum se vede in Fig. 3 prin adăugarea unui inducor în serie cu rezisena de sarcina. Inducorul va reduce riplul de curen care rece prin el, care va fi egal cu cel de pe rezisenţa de sarcina. Când comuaorul ese pe poziţia A, curenul prin inducor creşe, asfel creşe energia socaă în inducanţă. Când comuaorul ese pe poziţia B, inducorul lucrează ca o sursa şi menţine curenul pe rezisena de sarcină. Pe duraa acesui inerval, energia socaă în inducanţa descreşe şi curenul prin ea scade. se 2

3 Laboraor: lecronică Indusrială Lucrarea nr: 9 lecronică de Puere imporan de menţiona că în aces circui avem o conducţie coninuă pe rezisenţa de sarcina, adică curenul ese în acelaşi sens pe oaă duraa de funcţionare. Swich A L 1 2 Poziia comuaorului Vin B R V 0 Poz B Fig.3: fecul adus de o inducanã Urmăorul pas în evoluţia proiecării converorului Buck ese adăugarea unui capacior pese rezisenţa de sarcina, cum se vede în Fig. 4. capaciaea reduce mărimea riplului de ensiune, în imp ce inducorul neezeşe curenul prin el. Acţiunea combinaă a filrului LC reduce foare mul riplul ensiunii pe sarcină. Fig.4:Circui cu filru LC pe poziţia A rebuie sa fie comanda. Se obţine circuiul din figura 5. A Vin= B L 1 2 C Power semiconducor swich R L 1 2 Când comuaorul ese pe poziţia A, curenul circulă prin inducor şi scade când comuaorul ese pe poziţia B. Se poae folosi ca şi comuaor închis deschis penru poziţia A un comuaor semiconducor. Când comuaorul ese pe poziţia B, curenul prin inducor circula liber prin acesa (fără o sursă de curen sau ensiune), regim numi free wheeling în engleza. Deci, penru aceasa se poae folosi o dioda cu rol de comuaor liber (necomanda). Asfel, doar comuaorul Vin Vref PWM IC D C R Fig.5:Sursa in comuaie Dep down În general, o sursa de puere în comuaţie consă din cinci componene de bază: a) Un circui de conrol cu modulaţia impulsurilor în duraa(pwm Conroller); 3

4 Laboraor: lecronică Indusrială Lucrarea nr: 9 lecronică de Puere b) Un ranzisor cu rol de comuaor; c) O inducanţă; d) O capaciae; e) O dioda; Conrolul cu modulaţia impulsurilor în duraă, de obicei un circui inegra, ese necesar penru reglarea ensiunii de ieşire. Tranzisorul comuaor ese inima converorului şi conrolează puerea ransmisa sarcinii. Tranzisoarele MOS sun mai convenabile decâ cele bipolare la pueri de ieşire mai mari de 50W. Acesea rebuie alese cu impi de comuaţie câ mai mici şi să rezise la pulsurile de ensiune provocae de inducor. Inducorul ese uiliza cu rol de filru penru a reduce riplul de curen. Aceasa reducere ese daoraă fapului că curenul prin inducor nu poae fi schimba insananeu. Când curenul prin inducor inde să scadă, inducorul inde săl menţină, având rolul de sursă de energie. Inducoarele uilizae în acese converoare sun înfăşurae de obicei pe miezuri oroidale, din feria sau fier aşchia cu pierderi reduse la frecvenţe înale. Capaciaea ese uilizaă cu rol de filru penru a reduce riplul de ensiune. Aceasa rebuie aleasă cu pierderi minime. Pierderile din capaciae sun daorae rezisenei serie şi inducanţei proprii. Tipul capaciăţii ese ales după rezisena serie efeciva(sr). Cele mai indicae capaciăţi sun cele din anal. Uneori, penru creşerea performanţei regulaorului, se leagă in paralel câeva capaciăţi de valoare mai mica penru a micşora rezisena serie efecivă. Dioda folosia ese de circulaţie libera (freewheeling). Aceasa nu are rol de redresor, ci are funcţia de a direcţiona corec calea de curen prin inducanţă. se imporan ca dioda să comue in sarea de bloca foare rapid, de aceea se vor folosi diode rapide de recuperare sau diode schoky, care sun cele mai indicae. Conrolul converorului buck poae fi făcu în două moduri: 1. Funcţionarea la frecvenţă consană, sau conrolul prin modularea impulsurilor în duraă(pwm) (cazul lucrarii noasre de laboraor), 2. Funcţionarea la frecvenţe variabile, sau conrolul prin modularea în frecvenţă. La prima meodă, reglarea ensiunii de ieşire ese făcua prin modificarea inr o direcţie sau ala, a facorului de umplere a ensiunii de comandă a comuaorului, cu păsrarea consană a frecvenţei. Facorul de umplere se referă la raporul dinre duraa câ comuaorul ese închis şi perioada semnalului de comandă. Aces mod de conrol ese adeseori preferabil. 3.Conrolul converorului buck prin modularea impulsurilor in duraa(mid = PWM) Modulaorul PWM comanda comuaorul semiconducor şi ese o pare complexa a regulaorului. În prezen majoriaea regulaoarelor PWM sun realizae pe un singur circui inegra. Principiul de conrol prin PWM ese prezena în figura 6, iar formele de undă explică funcţionarea circuiului. Modulaorul PWM consă dinrun generaor în dinţi de ferăsrău (sawooh generaor), un amplificaor de eroare şi un comparaor. Frecvenţa generaorului poae fi seaă prin alegerea corespunzăoare a valorilor penru o reţea RC, care ese consană. Amplificaorul de eroare compară ensiunea de referinţă şi semnalul de reacţie. Semnalul de reacţie ese obţinu prinro divizare a ensiunii de ieşire, pe sarcină. De exemplu, dacă Vf ese semnalul de reacţie şi Vref ese ensiunea de referinţă,şi Vf=β,deoareceVf= Vref, = Vref/β. 4

5 Laboraor: lecronică Indusrială Lucrarea nr: 9 lecronică de Puere Generaor in dini de fierasrau SAWTOOTH WAV GNRATOR Vf semnal de reacie Vref Amplificaor de eroare Vr Va PWM COMPARATOR Vpwm SWITCHING CONTROLLR blocul comuaor ranzisorul de puere Vr Diagrama funcionala: Va Fig. 6 Circuiul simplifica penru realizarea semnalului de comanda penru ranzisorul comuaor din converorul BUCK on off on off Vpwm Modulaorul PWM consă dinrun generaor în dinţi de ferăsrău (sawooh generaor), un amplificaor de eroare şi un comparaor. Frecvenţa generaorului poae fi seaă prin alegerea corespunzăoare a valorilor penru o reţea RC, care ese consană. Amplificaorul de eroare compară ensiunea de referinţă şi semnalul de reacţie. Semnalul de reacţie ese obţinu prinro divizare a ensiunii de ieşire, pe sarcină. De exemplu, dacă Vf ese semnalul de reacţie şi Vref ese ensiunea de referinţă,şi Vf=β,deoareceVf= Vref, = Vref/β. Ieşirea amplificaorului de eroare ese comparaă cu formă de undă în dinţi de feresrău şi când aceasa ese mai mare decâ valoarea dinelui de feresrău, ieşirea comparaorului ese în 1 logic, şi comuaorul ese comanda în poziţia ON(poziţia A din Fig. 4). Iar când comparaorul ese în sarea 0 logic, comuaorul ese deschis(off sae). Dacă ensiunea de ieşire inde să crească, ensiunea de reacţie va creşe pese ensiunea de referinţă, ensiunea de ieşire a amplificaorului de eroare va scădea şi asfel duraa de imp penru care comparaorul rămâne în 1 logic va scădea. Se reduce facorul de umplere a comenzii comuaorului, iar ensiunea de ieşire va scădea. Asfel, ensiunea de ieşire va apărea consană, menţinuă de reacţia negaiva la valoarea doriă. 5

6 Laboraor: lecronică Indusrială Lucrarea nr: 9 lecronică de Puere Lucrarea Pracică Lucrarea de laboraor foloseşe circuiul inegra MC34063 produs de compania ON Semiconducor, având urmăorii parameri: ensiune de alimenare: 3V 40V curen de sandby redus limiare de curen curen de ieşire până la 1.5A ensiune de ieşire reglabilă referinţă de ensiune inernă cu precizie de 2% (1,25V) În Fig. 7 se dă schema inernă a circuiului inegra MC34063, iar în Fig. 8 se dă schema elecronică a lucrării de laboraor. Fig. 7 Schema inernă a circuiului inegra MC Desfăşurarea lucrării: 1) Se conecează circuiul la ensiunea de alimenare variabilă; se conecează o rezisenţă de sarcină variabilă. 2) După alimenare se vizualizează cu ajuorul unui volmeru valoarea ensiunii de la ieşire penru mai mule valori ale ensiunii de alimenare. 3) Se raseaza caracerisica de Fig. 8 Schema elecronica a lucrarii de laboraor reglaj a converorului precizând frecvenţa de funcţionare şi valorile de exrem ale caracerisicii obţinue. 4) Se deermină riplul de ensiunii de la ieşirea converorului, riplul curenului prin inducanţa L ţi randamenul acesuia. 5) Observaţii privind modificarea valorii rezisenţei de sarcină. 6