- ההבדל בין Buck לבין Boost Regulator
- יסודות העיצוב של מעגל ממיר באק
- מצבי הפעלה של ממיר באק
- PWM ומחזור חובה למעגל ממיר באק
- שפר את היעילות של מעגל ממיר באק
- דוגמה לעיצוב לממיר באק
באלקטרוניקה, רגולטור הוא מכשיר או מנגנון שיכולים לווסת את תפוקת הכוח ללא הרף. ישנם סוגים שונים של רגולטורים הזמינים בתחום אספקת החשמל. אך בעיקר, במקרה של המרת DC ל- DC, ישנם שני סוגים של רגולטורים זמינים: לינארי או מיתוג.
רגולטור ליניארי מסדיר את התפוקה באמצעות טיפת מתח רזיסטיבי ובשל זה רגולטורים לינארי לספק יעילות נמוכה וכוח לאבד בצורה חומה.
בצד השני מווסת הרגולציה משתמש במשרן, דיודה ומתג הפעלה להעברת אנרגיה ממקורו ליציאה.
ישנם שלושה סוגים של ויסות מיתוג זמינים.
1. ממיר צעד (Boost Regulator)
2. ממיר למטה (רגולטור באק)
3. מהפך (Flyback)
במדריך זה נתאר את המעגל לוויסות מיתוג באק. כבר תיארנו את עיצוב Buck Regulator במדריך הקודם. כאן נדון בהיבטים שונים של ממיר באק וכיצד לשפר את יעילותו.
ההבדל בין Buck לבין Boost Regulator
ההבדל בין ווסת המיתוג לבין המאיץ הוא, בווסת המתיחות מיקום המשרן, הדיודה ומעגל המיתוג שונה מווסת המאיץ. כמו כן, במקרה של מווסת דחיפה מתח המוצא גבוה ממתח הכניסה, אך בווסת הכסף, מתח המוצא נמוך ממתח הכניסה.
באק ממיר הטופולוגיה או באק הוא אחד הטופולוגיה הבסיסי המשמש ביותר בשימוש SMPS. זוהי בחירה פופולרית שבה עלינו להמיר מתח גבוה יותר למתח יציאה נמוך יותר.
זהה לווסת הדחיפה, ממיר באק או ווסת באק מורכב ממשרן, אך החיבור של המשרן הוא בשלב המוצא ולא בשלב הקלט המשמש בווסתים המאיצים.
לכן, במקרים רבים עלינו להמיר מתח נמוך יותר למתח גבוה יותר בהתאם לדרישות. וסת באק ממיר את המתח מפוטנציאל גבוה יותר לפוטנציאל נמוך יותר.
יסודות העיצוב של מעגל ממיר באק
בתמונה שלעיל מוצג מעגל רגולטור פשוט של באק בו נעשה שימוש במשרן, דיודה, קבל ומתג. הקלט מחובר ישירות על פני המתג. המשרן והקבל מחוברים על פני הפלט, וכך העומס מקבל צורת גל זרם פלט חלקה. הדיודה משמשת לחסימת זרם הזרם השלילי.
במקרה של ויסות דחיפה למיתוג, ישנם שני שלבים, האחד הוא שלב טעינת המשרן או שלב ההפעלה (המתג סגור למעשה) והשני הוא שלב פריקה או שלב הכיבוי (המתג פתוח).
אם אנו מניחים שהמתג נמצא במצב פתוח זמן רב, הזרם במעגל הוא 0 ואין מתח.
במצב זה, אם המתג יתקרב אזי הזרם יגדל והמשרן ייצור מתח על פניו. ירידת מתח זו ממזערת את מתח המקור ביציאה, לאחר מספר רגעים קצב השינוי הנוכחי יורד והמתח על פני המשרן יורד, מה שמגדיל בסופו של דבר את המתח על פני העומס. משרן מאגר אנרגיה באמצעות השדה המגנטי.
לכן, כאשר המתג פועל, על פני המשרן המתח הוא V L = Vin - Vout
הזרם במשרן עולה בקצב של (Vin - Vout) / L.
הזרם דרך המשרן עולה באופן ליניארי עם הזמן. קצב העלייה הנוכחי הליניארי הוא פרופורציונאלי למתח הכניסה פחות מתח המוצא חלקי ההשראה
di / dt = (Vin - Vout) / L.
הגרף העליון המציג את שלב הטעינה של המשרן. ציר ה- x מציין t (זמן) וציר ה- Y מציין i (זרם דרך המשרן). הזרם גדל באופן ליניארי עם הזמן בו המתג סגור או פועל.
במהלך תקופה זו בזמן שהזרם עדיין משתנה, תמיד תתרחש ירידה במתח על פני המשרן. המתח על פני העומס יהיה נמוך יותר מאשר מתח הקלט. במהלך מצב כבוי, בזמן שהמתג פתוח, מקור מתח הכניסה מתנתק והמשרן יעביר את האנרגיה המאוחסנת לעומס. משרן יהפוך למקור הנוכחי לעומס.
הדיודה D1 תספק נתיב חזרה של הזרם הזורם דרך המשרן בזמן כיבוי.
זרם המשרן יורד בשיפוע השווה –Vout / L
מצבי הפעלה של ממיר באק
ניתן להפעיל את ממיר באק בשני מצבים שונים. מצב רציף או מצב רציף.
מצב רציף
במצב רציף, המשרן מעולם לא השתחרר במלואו, מחזור הטעינה מתחיל כאשר המשרן משוחרר חלקית.
בתמונה שלעיל אנו יכולים לראות, כאשר המתג נדלק כאשר זרם המשרן (iI) גדל באופן ליניארי, ואז כאשר המתג יורד, המשרן מתחיל לרדת, אך המתג שוב נדלק בזמן שהמשרן משוחרר בחלקו. זהו אופן הפעולה הרציף.
האנרגיה המאוחסנת במשרן היא E = (LI L 2) / 2
מצב לא רציף
מצב לא רציף שונה במקצת מהמצב הרציף. במצב לא רציף, המשרן השתחרר לחלוטין לפני תחילת מחזור טעינה חדש. המשרן יתפרק לחלוטין לאפס לפני שהמתג יופעל.
במצב לא רציף, כפי שניתן לראות בתמונה לעיל כאשר המתג עולה על זרם המשרן (il) גדל באופן ליניארי, ואז כאשר המתג יורד, המשרן מתחיל לרדת, אך המתג נדלק רק לאחר המשרן משוחרר לחלוטין וזרם המשרן הפך לאפס לחלוטין. זהו אופן הפעולה הרציף. בפעולה זו, זרימת הזרם דרך המשרן אינה רציפה.
PWM ומחזור חובה למעגל ממיר באק
כפי שדנו במדריך הקודם של ממיר באק, משתנה את מחזור החובה שנוכל לשלוט במעגל הרגולטור של הדולר. לשם כך נדרשת מערכת בקרה בסיסית. בנוסף נדרש מגבר שגיאה ומעגל בקרת מתגים אשר יעבוד במצב רציף או לא רציף.
לכן, עבור מעגל מווסת שלם מלא, אנו זקוקים למעגלים נוספים אשר ישתנו את מחזור החובה ובכך משך הזמן שהמשרן מקבל אנרגיה מהמקור.
בתמונה שלעיל ניתן לראות מגבר שגיאה שחוש את מתח המוצא על פני העומס באמצעות נתיב משוב ושולט במתג. טכניקת הבקרה הנפוצה ביותר כוללת טכניקת אפנון רוחב דופק או PWM המשמשת לבקרת מחזור החובה של המעגלים.
מעגל הבקרה שולט על משך הזמן שהמתג נשאר פתוח או, ושולט כמה זמן הטען או הפריקה של המשרן.
מעגל זה שולט במתג בהתאם לאופן הפעולה. זה ייקח דגימה של מתח המוצא וכדי לחסר אותו ממתח ייחוס וליצור אות שגיאה קטן, ואז אות שגיאה זה יושווה לאות רמפה של מתנד ומפלט המשווה אות PWM יפעל או ישלט על המתג. מעגל חשמלי.
כאשר מתח המוצא משתנה, מתח השגיאה מושפע גם ממנו. בשל שינוי מתח השגיאה, השווה שולט בפלט ה- PWM. ה- PWM השתנה גם למצב כאשר מתח המוצא יוצר אפס שגיאה ועל ידי כך מערכת לולאת הבקרה הסגורה מבצעת את העבודה.
למרבה המזל, לרב הרגולטורים המודרניים של ממתגים יש את הדבר הזה בתוך חבילת ה- IC. לפיכך תכנון מעגלים פשוט מושג באמצעות וסתות המיתוג המודרניות.
מתח המשוב הפניה מתבצע באמצעות רשת מחלקי נגדים. זהו המעגל הנוסף, הנחוץ יחד עם משרן, דיודות וקבלים.
שפר את היעילות של מעגל ממיר באק
כעת, אם נבדוק לגבי היעילות, כמה כוח אנו מספקים בתוך המעגלים וכמה אנו מקבלים בפלט. (Pout / Pin) * 100%
מכיוון שלא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה, ניתן להמיר אותה רק, מרבית האנרגיות החשמליות רופפות כוחות שאינם בשימוש המומרים לחום. כמו כן, אין מצב אידיאלי בתחום המעשי, היעילות היא גורם גדול יותר לבחירת ווסתי מתח.
אחד הגורמים העיקריים לאיבוד הספק עבור וסת מיתוג הוא הדיודה. ירידת המתח קדימה מוכפלת בזרם (Vf xi) היא הספק שאינו בשימוש המומר לחום ומפחית את היעילות של מעגל הרגולטור המיתוג. כמו כן, זה העלות הנוספת למעגלים עבור טכניקות ניהול תרמי / חום באמצעות גוף קירור, או מאווררים כדי לקרר את המעגלים מחום התפוגג. לא רק ירידת המתח קדימה, התאוששות הפוכה לדיודות סיליקון מייצרות גם איבוד כוח מיותר והפחתה של היעילות הכוללת.
אחת הדרכים הטובות ביותר להימנע מדיודת התאוששות רגילה היא להשתמש בדיודות שוטקי במקום דיודות בעלות ירידת מתח קדימה נמוכה והתאוששות הפוכה טובה יותר. כאשר יש צורך ביעילות מקסימאלית, ניתן להחליף את הדיודה באמצעות MOSFET. בטכנולוגיה מודרנית, ישנן אפשרויות רבות בסעיף מווסת מיתוג ממתקים, המספקים יעילות של יותר מ -90% בקלות.
למרות היותם בעלי יעילות גבוהה יותר, רגולטורים למיתוג רגיל, טכניקת עיצוב נייחת, רכיבים קטנים יותר, מרעישים מווסת ליניארי. ובכל זאת, הם פופולריים מאוד.
דוגמה לעיצוב לממיר באק
יצרנו בעבר מעגל מווסת באק באמצעות MC34063 שבו פלט 5V נוצר ממתח כניסה 12V. MC34063 הוא מווסת המיתוג אשר שימש בתצורת וסת הרגיל. השתמשנו במשרן, דיודת שוטקי וקבלים.
בתמונה הנ"ל Cout הוא קבל הפלט והשתמשנו גם במשרן ודיודת שוטקי שהם המרכיבים הבסיסיים לווסת מיתוג. יש גם רשת משוב בשימוש. נגדי R1 ו- R2 יוצרים מעגל מחלק מתח הדרוש לשלב PWM והשוואת השגיאה של המשווה. מתח הייחוס של המשווה הוא 1.25 וולט.
אם אנו רואים את הפרויקט בפירוט, אנו יכולים לראות כי יעילות 75-78% מושגת על ידי מעגל מווסת מיתוג MC34063 זה. ניתן לשפר יעילות נוספת באמצעות טכניקת PCB נכונה וקבלת הליכי ניהול תרמי.
דוגמה לשימוש בווסת באק-
- מקור כוח DC ביישום המתח הנמוך
- ציוד נייד
- ציוד שמע
- מערכות חומרה משובצות.
- מערכות סולאריות וכו '.