DC/DC Boost Dönüştürücü

Boost dönüştürücüler, elektronikte DC girişinden daha büyük bir DC çıkış voltajı üretmek için kullanılır, bu nedenle besleme voltajını artırır. Boost dönüştürücüler genellikle beyaz LED'ler için güç kaynaklarında, elektrikli otomobiller için pil paketlerinde ve diğer birçok uygulamada kullanılır. Bir takviye dönüştürücü, enerjiyi bir indüktörün manyetik alanında depolar ve bunu bir anahtarlama devresi ile bir yüke aktarır. İndüktörün manyetik alanından enerji transferi, tek bir aşamada DC çıkışında artış sağlar. Bu video, bir takviye dönüştürücünün yapısını gösterecek ve dönüştürücünün çalışma durumunu değiştirmenin çıkış voltajını nasıl etkilediğini araştıracaktır.

Bu basit takviye dönüştürücü devresi, bir indüktöre ve bir anahtara bağlı bir giriş DC voltaj kaynağından oluşur. Anahtar, bir bipolar transistör, bir MOSFET veya indüktörü güç kaynağının ortak hattından dönüşümlü olarak bağlayan ve bağlantısını kesen diğer benzer elektronik cihazlar olabilir. Bir engelleme diyotu, indüktörü çıkış voltajındaki dalgalanmayı filtreleyen bir kapasitöre bağlar. Kapasitansın arttırılması dalgalanmayı azaltır. Yeterince büyük bir kapasitans için çıkış sabit bir DC voltajı haline gelir. Dijital bir darbe dizisi anahtarı açar veya kapatır. Nabız, açık kalma süresinin periyoda oranı olan bir görev oranına sahiptir. Görev oranı sıfırdan değişebilir veya zamanla daha fazla olmak üzere bire kadar artabilir. Darbe açıkken, anahtar kapanır ve indüktör besleme voltajına bağlanır. Bu durumda, güç kaynağının çıkışına bağlı indüktör terminali daha yüksek potansiyele sahiptir ve ortak kaynağa bağlı terminal daha düşük potansiyele sahiptir. Şimdi akım, yeterince yüksek anahtarlama frekansları için zamanla doğrusal olarak artan indüktörden akar. Bu süre zarfında indüktör voltajı pozitif olarak tanımlanır çünkü akımın zamana karşı eğimi pozitiftir. İndüktör, manyetik alanındaki akımın karesiyle orantılı olarak enerjiyi depolar. İndüktör güç kaynağına ne kadar uzun süre bağlanırsa, akım o kadar fazla artar ve o kadar fazla enerji depolar. Anahtar açıldığında, indüktörden geçen akım aynı yönde akmaya devam etmelidir. Bu akım da azalır çünkü indüktör artık yüke enerji verir. Akımın zamana karşı eğimi negatif olduğu için indüktör voltajı negatif olur. Sonuç olarak, indüktörün polaritesi ters döner ve şimdi çıkışta daha yüksek bir potansiyel üreten "V girişi" giriş voltajına eklenir. Bu durumdaki devre, diyotu ileri doğru yönlendirir ve indüktör akımı boşaltır, bazıları yüke gider ve bazıları kapasitöre gider ve bu da daha sonra yükü depolar. Anahtar tekrar kapandığında, diyot ters kutuplu hale gelir, indüktörü çıkıştan ayırır ve yükün kısa devre yapmasını önler. Bu süre zarfında, indüktör yeniden şarj olur ve yerine kondansatör yüke akım sağlar. Bu kapasitör şarj ve deşarj döngüsü, bir miktar dalgalanma ile ortalama bir çıkış voltajı üretir. Yeterince yüksek anahtarlama frekanslarında, kondansatörün şarj ve deşarj süreleri kısadır ve çıkış, nispeten az dalgalanma ile sabit bir durum voltajına ulaşır. Bu anahtarlama döngüsü süresiz olarak tekrarlanır ve takviye dönüştürücü işleminin temelidir. İdeal olarak, görev oranı arttıkça ortalama çıkış voltajı artar ve bir görev oranı sonsuz voltaj üretir. Bununla birlikte, takviye dönüştürücüdeki parazitik elementler ve dirençler, D'nin yararlı değerlerini maksimum yaklaşık 0,7 veya 0,8 ile sınırlar. D yeterince büyükse, parazitik etkiler devre çalışmasına hakim olur ve D artmaya devam etse bile çıkış voltajı düşer. Aşağıdaki deneylerde, bir takviye dönüştürücüsünün, indüktörün her zaman sıfır olmayan akımla çalıştığı bir durum olan CCM olarak da adlandırılan sürekli iletim modunda voltajı nasıl artırdığını inceleyeceğiz.

Bu deneydeki çıkış voltajı 50 volt DC veya daha az ile sınırlıdır. Yalnızca belirtilen görev döngülerini, frekansları, giriş voltajlarını ve yükleri kullanın. Bu deneyler, farklı DC'den DC'ye dönüştürücü devre topolojileri ile deney yapmak için tasarlanmış HiRel Systems Power Pole Board'u kullanır. Sinyal besleme anahtarı S90 kapalıyken, +/- 12 volt sinyal beslemesini J90 den konektörüne takın. PWM kontrol seçimi jumper'ları J62 ve J63'ü açık döngü konumuna ayarlayın. DC güç kaynağını pozitif 10 volta ayarlayın, ancak güç kaynağı çıkışını karta bağlamayın. Daha sonra devreyi alt MOSFET, üst diyot ve BB manyetik kart ile gösterildiği gibi oluşturun. İndüktörün değerini BB manyetik karta kaydedin. Yük direnci bir güç potansiyometresidir. 20 ohm'a ayarlarken direncini ölçmek için bir multimetre kullanın. Ardından potansiyometreyi V1+ ve COM terminalleri arasına bağlayın. Anahtar seçici bankası S30'u aşağıdaki gibi ayarlayın: PWM'yi alt MOSFET'e, yerleşik PWM'yi kullanın ve yükü kapatın. Osiloskopun diferansiyel probunu, alt MOSFET'in kapısı olan terminal 16 ile kaynak olan terminal 12 arasına bağlayın. S90 anahtarını açın. MOSFET'i çalıştıran darbe dizisi, dürbünün ekranında görünmelidir. Bu dalga formunun birkaç dönemini görüntülemek için kapsamın zaman eksenini seçin. 60 kilohertz'lik bir anahtarlama frekansı üretmek için frekans ayar potansiyometresi RV100'ı ayarlayın. Görev oranı potansiyometresi RV64'ü, darbelerin 0.1'lik bir görev oranına karşılık gelen bir mikrosaniyelik bir açık kalma süresine sahip olacak şekilde ayarlayın.

DC güç kaynağını V2+ ve COM giriş terminallerine bağlayın. İndüktör akımını ölçmek için, diferansiyel kapsam probunu CS5 ve COM terminalleri arasına bağlayın. Yük direnci RL'deki voltajı ölçmek için, diğer diferansiyel probu V1+ ve COM terminalleri arasına bağlayın. Çıkış voltajı bir üçgen dalga olmalıdır. Yukarı doğru rampalar, takviye dönüştürücü anahtarı açıkken ve indüktör yüke enerji aktarırken meydana gelir. Aşağı doğru rampalar, anahtar kapatıldığında, indüktör çıkıştan ayrıldığında ve kondansatör yüke enerji sağladığında meydana gelir. İndüktör akımı, darbe treninin açık olduğu süre boyunca doğrusal olarak yükselen, ardından kapalı zaman boyunca doğrusal olarak aşağı doğru hızlanan bir üçgen dalgadır. Ofset, ortalama akımdır. Kapsamın yerleşik ölçüm fonksiyonlarını kullanarak, çıkış voltajının ortalama değerini ve indüktör akımının ortalama değerini ölçün. Giriş DC güç kaynağı sekiz, 12 ve 14 volt olarak ayarlandığında bu adımları tekrarlayın. Sabit bir görev oranı için, giriş voltajı arttıkça, ideal bir takviye dönüştürücünün çıkış voltajı orantılı olarak artmalıdır.

Deneyin bu kısmı, indüktör akımı yerine darbe dizisinin görev oranını ölçer. Kapsam problarını, sırasıyla alt MOSFET'in kapısı ve kaynağı olan 16 ve 12 numaralı terminaller arasına bağlayın. Giriş DC güç kaynağını V2+ ve COM terminallerine bağlayın. Daha önce olduğu gibi, çıkış voltajı, indüktör ve kondansatörden kaynaklanan ve dönüşümlü olarak yüke akım sağlayan bir üçgen dalgadır. MOSFET'in geçit kaynak voltajı, 100 kilohertz frekansına, 10 mikrosaniyelik bir periyoda ve bir mikrosaniyelik bir açık kalma süresine sahip bir dijital darbe trenidir. DC güç kaynağından gelen giriş akımı ve voltaj okumaları ile birlikte çıkış voltajının ortalama değerini ve geçitin kaynak voltajına açılma süresini ölçün. Görev oranı potansiyometresi RV64'ü ayarladıktan sonra bu testi tekrarlayın, böylece darbe akışı sırasıyla 0.2, 0.4 ve 0.6 görev oranlarına karşılık gelen iki, dört ve altı mikrosaniyelik bir açık kalma süresine sahip olur.

Görev oranı D arttıkça, takviye dönüştürücünün çıkış voltajı da artar. İdeal olarak, D'nin değeri 0,2 ise, 10 voltluk bir giriş yaklaşık 12,5 voltluk bir çıkış üretir. D 0.4 ise, çıkış yaklaşık 16.6 volt olacaktır. D 0.6 ise, çıkış yaklaşık 25 volt olacaktır. Genel olarak, çıkış voltajı ideal ilişkiden beklenenden daha düşüktür çünkü parazitik elemanlar ideal olmayan voltaj düşüşleri ve hesaplanamayan enerji kaybı yaratır. Görev oranı bire yaklaştıkça, teorik çıkış voltajı sonsuz derecede büyük olur. Gerçekte, çıkış voltajı, giriş voltajının yaklaşık üç veya dört katı ile sınırlıdır ve parazitik ve ideal olmayan bileşenlerin etkisi, D yeterince yükseldikten sonra çıkış voltajının düşmesine neden olur.

Boost dönüştürücüler, giriş voltajından daha büyük bir çıkış voltajı üretir ve birçok uygulama, güç kaynağı seçiminde esnekliği artırmak için bunları içerir. Bir güneş panelinden gelen voltaj, güneşin konumuna, hava koşullarına ve gölgeye göre değişir. Boost dönüştürücüler, bir elektrik şebekesini beslemek için tutarlı bir voltaj sağlamak üzere bir güneş paneli dizisinin değişken çıkışını artırmak için yaygın olarak kullanılır. Pille çalışan sistemler, güç kablosu kullanmadan cihazlara güç sağlamak için sıklıkla kullanılır. Gerekli daha yüksek çıkış voltajını elde etmek için, pil hücreleri genellikle istiflenir. İstenen çıktıya ulaşmak için çok sayıda hücreye ihtiyaç duyulursa, bu çok yer kaplayabilir. Bunun yerine, yerden tasarruf ederken voltajı artırmak için takviye dönüştürücüler kullanılır.

Jove'un Boost Dönüştürücülere Girişini az önce izlediniz. Artık boost dönüştürücülerin nasıl çalıştığını ve giriş voltajını, görev oranını ve frekansı ayarlamanın çıkış voltajını nasıl etkilediğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.