Acasă / Atelier / Putere / Convertoare DC-DC / Convertorul coborâtor (buck converter) – calculator online

Convertorul coborâtor (buck converter) – calculator online

Ciprian 13 decembrie 2014 Convertoare DC-DC 15 comentarii 79,265 Vizualizări

buck_convertorPCB2

Pentru că într-un articol precedent am vorbit despre convertorul ridicător (boost), în acesta am decis sa scriu câte ceva și despre convertorul coborâtor (buck). Convertorul buck, cunoscut ca și convertor coborâtor (step-down), este un convertor care prezintă o structură asemănătoare cu cea a convertorului boost, dar acesta produce o tensiune stabilizată mai mică decât tensiunea de la sursa de intrare. Convertorul buck ideal este compus din 5 componente de bază: comutatorul semiconductor de putere, o diodă, un inductor, o capacitate și un controller PWM. Circuitul este prezentat mai jos:

convertorul_coborator_buck_convertor

Modul de funcționare al convertorului buck este datorat relației dintre curent și tensiune dată de inductor. În poziția inițială comutatorul este în poziția deschis iar curentul în circuit este 0. Când comutatorul este închis (pasul 1) curentul pe inductor începe să crească, iar tensiune tinde să scadă. Această cădere de tensiune de pe inductor este înseriată cu căderea de tensiune de pe sarcină realizând o limitare a tensiunii pe sarcină. În tot acest timp inductorul acumulează o cantitate de energie pe care, ulterior (pasul 2), o eliberează în circuit prin intermediul diodei (D1).

Buck_convertor

 

Comanda acestui convertor se poate face în două moduri:
1.Comanda în frecvenţă constantă, sau controlul prin modularea impulsurilor în durată (PWM)
2.Comanda în frecvenţă variabilă, sau controlul prin modularea în frecvenţă.

La prima metodă, reglarea tensiunii de ieşire este făcuta prin modificarea intr–o direcţie sau alta, a factorului de umplere a tensiunii de comandă a comutatorului, cu păstrarea constantă a frecvenţei. Factorul de umplere se referă la raportul dintre durata cât comutatorul este închis şi perioada semnalului de comandă. Acest mod de control este adeseori preferabil.

Formarea semnalului de comandă pentru această metodă se face prin compararea unei tensiuni de referință cu o formă de undă dinți de ferăstrău. Prin modificarea tensiunii de referinta se modifică si factorul de umplere al semnalului PWM.

 formare_PWM

conv_buck1
conv_buck2
conv_buck3

Pentru dimensionarea componentelor am realizat un program de calcul. Inductanța și capacitatea este calculată mai jos. Dioda este una de tip Schottkey, dar trebuie avut grijă ca aceasta să fie aleasă în funcție de curentul și frecvența dorită. Dispozitivul semiconductor de comutație trebuie sa fie dimensionat la o valoare superioară celei rezultate, pentru a suporta o tensiune și un curent superior celui necesar (pentru siguranță). Această aplicație este proiectată pentru un curent de ieșire constant.

f =
[Hz]
 Frecvența convertorului boost.
Vin =
[V]
 Tensiunea pe alimentare.
Vout =
[V]
 Tensiunea pe ieșire.
VD1 =
[V]
 Căderea de tensiune pe diodă.
RDSon =
[Ω]
 Rezistența pe MOSFET în stare de conducție.
Iout =
[A]
 Curentul de ieșire.

Puterea de ieșire Pout = Iout * Vout
[W]
Curentul de ieșire minim (10% din curentul de ieșire). Iout_min = Iout * 0.1
[A]
Riplu maxim de tensiune vârf la vârf (1% din tensiunea de ieșire). VPP_ripple = Vout * 0.01 
[V]
Caderea de tensiune pe MOSFET VDSon  = RDSon  * Iout
[V]
Pierderea de putere în conducție PCOND  = RDSon  * IRMS2
[W]
Factor de umplere D = (Vout + VD1) / (Vin– VDSon)
[%]
Timpul de comutatie T = 1/f
[μs]
Timpul de comutatie ON TON = D * T
[μs]

Inductorul este utilizat cu rol de filtru pentru a reduce riplul de curent. Această reducere este datorată faptului că curentul prin inductor nu poate fi schimbat instantaneu. Când curentul prin inductor tinde să scadă, inductorul tinde să-l menţină, având rolul de sursă de energie. Inductoarele utilizate în aceste convertoare sunt înfăşurate de obicei pe miezuri toroidale, din ferită sau fier aşchiat, cu pierderi reduse la frecvenţe înalte. Valoarea minimă a inductorului este calculată considerând un curent minim de ieșire de 10% din curentul nominal. Inductorul este dimensionat astfel încât prin convertor va circula un curent nominal în tot acest interval.

Valoarea minimă a inductorului Lmin = ((Vin – Vout – VMOS) * TON) / (2 * Iout_min)
[µH]
Energie acumulată de inductor
 E = (Lmin * (Iout +Iout_min )2 / 2 )
[µJ]

Curentul rezultat are forma unei rampe. Centrul rampei este considerată ca valoarea efectivă a curentului de ieșire.

Riplul de curent vârf la vârf IPKripple = Iout_min * 2
[A]
Curent maxim în comutație
 IPEAK = Iout +Iout_min 
[A]
Valoarea efectivă a curentului
 IRMS = sqrt((Vout + VD1)/(Vin – VON_MOS) * (IPEAK2  – (IPEAK *IPKrippe) + (IPKrippe2 / 3)))
[A]

Dioda folosita este de circulaţie libera (free-wheeling). Aceasta nu are rol de redresor, ci are funcţia de a direcţiona corect calea de curent prin inductanţă. Este important ca dioda să comute in starea de blocat foarte rapid, de aceea se vor folosi diode rapide de recuperare sau diode schottky, care sunt cele mai indicate. Este de preferat utilizarea unei diode Schottky, datorită unei căderi de tensiune redusă, VD1, dar și pentru caracteristicile sale excelente de blocare. Prin înlocuirea aceastei diode cu un FET și folosirea unei  comenzi adecvate pentru acesta, vom obține o eficiență sporită. Acestă diodă trebuie să îndeplinească următoarele criterii:

Tensiune de blocare VR = Vin
[V]
Curent mediu al diodei
 Iaver = Iout * (1 – D)
[A]

Controlul cu modulaţia impulsurilor în durată, de obicei un circuit integrat, este necesar pentru reglarea tensiunii de ieşire. Tranzistorul comutator este inima convertorului şi controlează puterea transmisa sarcinii. Tranzistoarele MOS sunt mai convenabile decât cele bipolare la puteri de ieşire mai mari de 50W. Acestea trebuie alese cu timpi de comutaţie cât mai mici şi să reziste la pulsurile de tensiune provocate de inductor.

Valoarea minimă a tensiunii semiconductorului VDS = (Vin + VD1) + 5
[V]

Capacitatea este utilizată cu rol de filtru pentru a reduce riplul de tensiune. Aceasta trebuie aleasă cu pierderi minime. Pierderile din capacitate sunt datorate rezistentei serie şi inductanţei proprii. Tipul capacităţii este ales după rezistenta serie efectiva(ESR). Cele mai indicate capacităţi sunt cele din tantal. Uneori, pentru creşterea performanţei regulatorului, se leagă in paralel câteva capacităţi de valoare mai mica pentru a micşora rezistenta serie efectivă.

Riplu de curent efectiv (RMS) al condesatorului IRMScap = IPKripple / sqrt(12)
[A]
Capacitate minimă a condesatorului
 Cout = (IPKripple * T)/(8 * VPP_ripple)
[µF]
Capacitatea grupului de condesatori ales
 Cout_ales =
[µF]
Valoarea maximă a rezistenței serie efectiva (ESR)
 ESRmax = sqrt((-(IPKripple ^2)*(T^2))+ (64*(Vpp_riple^2)*(Cout_ales^2)))/ (8*Cout_ales*IPKripple )
[Ω]
Valoarea efectivă ESR a condesatorului folosit ESR = 
[Ω]

Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe condesatoarele de ieșire
 VPPcap = (IPKripple * T)/(8 * Cout_ales)
[V]
Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe ESR VPPesr = (ESR * IPKripple )
[V]
Valoarea totala a riplului de tensiune vârf la vârf VPPtotal = sqrt(Vppcap * Vppesr)
[V]

Pentru a realiza o filtrare pe partea de intrare în convertor, putem realiza un model de calcut, considerând o valoare maximă admisibilă a ondulației tensiunii de 5%.

Riplu de curent efectiv (RMS) al condesatorului de intrare IRMS = sqrt((Vout+Vd1)/(Vin-Vdson)*(Ipeak^2-(ipeak*iripple)+(Iripple^2/3)))

[A]
Riplu de tensiune acceptat pe intrare VIN_ripple = Vin*0,05
[V]
Capacitate minimă a condesatorului de intrare
 Cin = (IPEAK * T)/(8 * VIN_ripple)
[µF]
Capacitatea grupului de condesatori ales
 Cin_ales =
[µF]
Valoarea maximă a rezistenței serie efectiva (ESR)
 ESRinmax = sqrt((-(IPEAK ^2)*(T^2))+ (64*(Vin_ripple^2)*(Cin_ales^2)))/ (8*Cin_ales*IPEAK )
[Ω]
Valoarea efectivă ESR a condesatorului folosit ESRin =
[Ω]

Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe condesatoarele de intrare
 VPPcapin = (IPEAK * T)/(8 * CIN_ales)
[V]
Valoarea riplului de tensiune vârf la vârf pe ESR VPPesrin = (ESRin * IPEAK )
[V]
Valoarea totala a riplului de tensiune vârf la vârf VPPtotalin = sqrt(Vppcapin * Vppesrin)
[V]

Etichete

Despre Ciprian

Am dezvoltat o pasiune pentru acest domeniu de cand eram foarte mic, cred ca aveam 6-7 ani, din cate imi amintesc, am invatat sa citesc din revistele Tehnium, cam astea erau preferatele mele la varsta respectiva. In plus, aveam o atractie pentru informatica fapt ce a dus la inscrierea mea la un liceu de informatica, iar pentru a continua cu pasiunea mea m-am inscris apoi la facultatea de electrotehnica...

15 Comentarii

  1. Andrei
    21 decembrie 2014 la 20:00

    Un articol foarte bun, felicitari!

    Răspunde
  2. Eremia Gheorghe
    2 octombrie 2016 la 11:59

    Am un motor de 24V\17A,,cu frînă electromagnetică și vreau să : 1)- schemă de regulator turație de 12V-50V\200A. 2)-cu schimbare sensul de mers a motorului 3)-indicator voltaj baterie cu ledeuri s-au display 3)-,termometru ptr motor.4)-schema să fie cît mai simplă să nu necesite program ptr calculator ,ptt că eu sînt electronist mediu.Vă mulțumesc și aștept răspuns.P.s.-acest regulator de turație vil cer ptr alimentare pe bateri cu Pb s-au din cele mai speciale,v-am dat plaja de voltaj 12-50V ptr că;1)-sînt motoare de c.c. cu colector cu peri cărbune s-au fără,de diferite tensiuni(12,24,36,48V) așa și cu amperaj baterie ;12…..150A,s-au P(W)motor ;10……1000W.

    Răspunde
  3. jennieferstone
    25 noiembrie 2022 la 12:36

    Coinbase offers simple and advanced trading platforms on Coinbase advance trade. It offers a secure and easy way to buy, sell, and trade digital assets online.

    Răspunde
  4. chen
    3 decembrie 2022 la 07:28

    Your table is ready ? Play with us. Want to become rich ? Come here and become the winner and enjoy the never ending fun. Feel the royalty and enjoy yourself. Best site ever! https://j9korea.com/ 제이나인 안전 카지노

    Răspunde
  5. Do my online class
    6 decembrie 2022 la 14:57

    Learn everything about do my online class . Classdoer is the best platform for that expectations. Whether you call it distant learning, online learning, or cold learning, school aspects unlike during the COVID-19 pandemic. While some scholars are flourishing with this way of knowledge, many scholars don’t seem to be attractive in it. Some students may not be present at all. Others may be in presence, but they aren’t revolving in work or doing additional than the bare least.

    Răspunde
  6. LMPC certificate
    6 februarie 2024 la 11:10

    Elevate your business with ASC’s expert in securing Legal metrology Registration and LMPC Certificate for your packaging products. Our team handled more than 500+ satisfied customers. Trust us to navigate the intricate regulatory landscape, ensuring your products comply with all LMPC Certificate requirements. Gain a competitive edge, build consumer trust, and stay up-to-date effortlessly with ASC by your side.
    Read more-
    LMPC Certificate

    Răspunde
  7. bada lund
    28 martie 2024 la 15:48

    Indian Hindi Blue Film And Bf Sex Videos

    Răspunde
  8. TikTokMp3
    14 aprilie 2024 la 15:00

    TikTok MP3 is a tool that allows you to easily convert any TikTok video into MP3 format. Many people want to download the music used in TikTok videos for offline use in MP3 format.

    Răspunde
  9. Story Saver
    14 aprilie 2024 la 15:15

    Story Saver Instagram Story Downloader is a useful tool that lets you save Instagram stories without revealing your identity.

    Răspunde
  10. save insta
    14 aprilie 2024 la 15:21

    SaveInsta is a great tool for keeping and sharing the special moments from Instagram albums. With SaveInsta, you can keep celebrating and cherishing the important events and gatherings in your life, making memories that will last forever.

    Răspunde
  11. i Gram
    14 aprilie 2024 la 15:28

    i Gram, a web-based platform, has been designed specifically to simplify the process of accessing and saving various forms of content from Instagram, including videos, photos, reels, IGTV content, and carousel albums.

    Răspunde
  12. i Gram
    14 aprilie 2024 la 15:30

    i Gram is an Instagram downloader tool that allows you to download videos and photos from any Instagram profile. In addition to this, it also enables you to download the stories and reels shared by that profile.

    Răspunde
  13. tıklayınız
    27 septembrie 2024 la 23:49

    Your website is very wonderful.

    Răspunde
  14. amasya nakliyat
    24 decembrie 2024 la 12:44

    Amasya moving service exceeded all my expectations! Their team was incredibly professional, punctual, and handled all my belongings with utmost care. The entire process was smooth, efficient, and stress-free. They ensured everything arrived safely and on time, showcasing their commitment to top-notch service. If you’re looking for reliable and hassle-free moving in Amasya, I highly recommend them

    Răspunde
  15. ArtiFlex
    14 august 2025 la 17:55

    อาหารเสริม ArtiFlex ด้วย Collagen Type II และสารสกัดธรรมชาติ ช่วยลดการอักเสบ ฟื้นฟูกระดูกอ่อนที่สึกหรอ ป้องกันข้อเสื่อม – เห็นผลภายใน 2 สัปดาห์! #ArtiFlex Website: https://www.artiflexth.com/

    Răspunde

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *

Creat de electrodb.ro
© Copyright 2026, Toate drepturile rezervate