În partea a treia a seriei noastre de tutoriale video pentru începători în domeniul surselor de alimentare, am analizat testarea și utilizarea surselor de alimentare liniare. Aici, în partea a 4-a din seria noastră de tutorial video, vom analiza testarea și utilizarea surselor de alimentare în comutație, inclusiv convertoarele buck și boost care pot să coboare (buck) sau să crească (boost) tensiunea de ieșire.

Vizionați videoclipul din partea 4 pentru a afla mai multe!

În urma transcrierii tutorialului video

Timp: 0: 00 Bună ziua! Sunt Chris Richardson, un inginer electronist care se concentrează pe surse de alimentare. Acesta este cel de-al patrulea dintr-o serie de seminarii web pentru oameni care le plac sursele de alimentare, dar care nu sunt neapărat instruiți pentru a fi ingineri de electronică.

Până acum, în această serie, am adunat niște echipamente cu costuri reduse pentru a testa sursele de alimentare, surse de alimentare nereglate, am testat diferite regulatoare liniare și acum este timpul să testăm niște regulatoare de comutare.

Regulatorul Buck - cel mai simplu dintre comutatoare

Timp: 0: 25s "Buck" este cel mai simplu regulator de comutare și este cel mai ușor de înțeles. Comutatorul de comandă de la partea superioară, un tranzistor bipolar sau, mai frecvent, un MOSFET funcționează împreună cu dioda D1 pentru a realiza o undă dreptunghiulară în punctul în care se conectează comutatorul, dioda și inductorul.

Acest punct este nodul de comutare și este cea mai importantă tensiune de măsurat din sistem. Inductorul și condensatorul formează un filtru Low-pass a cărui ieșire este în cea mai mare parte DC (curent direct), cu un ripplu de AC (curent alternativ). Valoarea medie a tensiunii de ieșire depinde de tensiunea de intrare și de ciclul de sarcină al undei rectangulare.

Timp: 0: 56s Ciclul de sarcină este egal cu TON împărțit la suma TON și TOFF și cu cât este mai mare ciclul de sarcină, cu atât este mai mare tensiunea de ieșire. Acest comutator coboară tensiunea de ieșire, de aici denumirea sa, Buck Regulator.

La fel ca un regulator liniar, VOUT maxim teoretic este egal cu VIN. În practică, VOUT maximă pe care o putem realiza este oarecum mai mică decât VIN.

Testarea unui regulator în comutație

Timp: 1: 17s Primul regulator de comutație pe care îl vom testa astăzi este regulatorul buck și puteți vedea circuitul aici. Acesta este condensatorul de intrare și condensatoarele mici, acestea sunt cele două comutatoare de control. Acesta este un regulator sincron, ceea ce înseamnă că în loc de o diodă pentru partea inferioară are un MOSFET. Inductorul de putere cu bucla de sârmă conectată în serie este de a pune o sondă de curent, dacă este necesar, și acestea sunt condensatoare de ieșire aici.

Acum, acest convertor buck este descărcat și eu folosesc +5 volți de la sursa de alimentare ATX și aici sunt aproximativ 5 volți, și ieșirea am ajustat la 1,9 volți, aproximativ. Chiar acum nu există nicio sarcină și aceste patru rezistoare de putere, aici de 8 Ω fiecare, sunt conectate în paralel pentru a da o sarcină de 2 Ω.

Când le conectez, ei dau o sarcină de aproximativ 1 A. Puteți observa că, la intrare, tensiunea scade ușor, și, de asemenea, tensiunea de ieșire scade ușor, dar este în continuare reglată.

Timp: 2: 13s Am schimbat lucrurile pentru a arăta eficiența ridicată a regulatorului de comutație aici. Deci, acum măsor tensiunea de intrare pe multimetrul albastru, și curentul de intrare pe multimetrul portocaliu. Așa că vreau să vedeți că atunci când alimentăm circuitul cu sarcina conectată, la 5 volți, el consumă circa 380 mA (0,380 A).

Acum, folosesc intrarea de 12 volți pentru a o alimenta și puteți vedea 12 volți pe multimetrul albastru, sarcina este aceeași și tensiunea de ieșire este aceeași, dar acum curentul de ieșire a scăzut la 210 mA (0,210 A).

Aceasta este o proprietate interesantă convertoarelor de comutație. Deoarecece tensiunea de intrare crește, curentul de intrare scade. De fapt, atunci când testați un regulator de comutație, unul dintre primele teste de bază este că, dacă aveți o sursă variabilă de intrare, să urmăriți și să vă asigurați că, pe măsură ce creșteți tensiunea de intrare curentul de intrare scade.

Timp: 2: 59s Aceasta este partea din spate a circuitului regulatorului buck. Măsor nodul de comutare și tensiunea de ieșire cu două sonde de osciloscop, există o sarcină de 1A fiind alimentat de intrarea de 12 volți. Putem vedea nodul de comutare în galben cu ciclul său de sarcină și ripplu rezultat pe tensiunea de ieșire. Aprox. 20-30 mV vârf la vârf.

Timp: 3: 23s Același experiment din nou, cu excepția faptului că de data aceasta îl alimentăm cu 5 volți la intrare și acum putem vedea că ciclul de sarcină este mult mai mare, suntem în convertorul buck și ciclul de sarcină este aproximativ egal cu tensiunea de ieșire de 1,9 volți împărțită la tensiunea de intrare de 5 volți și avem, de asemenea, un ripplu ușor mai mic, poate undeva în intervalul de 10 până la 15 mV.

Regulatorul Boost

Timp: 3: 45s Un regulator boost este puțin mai mult decât un regulator buck, operând invers. Imaginați-vă că D1 a fost un MOSFET și că TR1 o diodă. Unde vedeți VIN există întotdeauna un condensator, chiar dacă nu este prezentat în această schemă.

Un Regulator Boost este un circuit excelent pentru a explica de ce un inductor este inima majorității regulatoarelor de comutare. Pentru a realiza o tensiune de ieșire mai mare decât tensiunea de intrare, regulatorul boost stochează energia în câmpul magnetic al inductorului care se dezvoltă deoarece curentul în L1 crește în timp ce TR1 este "ON".

Circuitul de control comută TR1 "OFF" în timp ce curentul încă circulă. Inductorul poate mări tensiunea pe el la infinit în teorie pentru a menține fluxul de curent. Din păcate, nu trebuie să meargă la infinit doar să crească suficient pentru a pune D1 ON și în polarizare directă, atunci curentul poate curge la ieșire. Teoretic, regulatorul boost poate crește tensiunea de ieșire până la infinit, dar în practică este limitat la aproximativ 10 ori tensiunea de intrare (10*VIN).

O ultimă notă importantă aici. Regulatorul boost poate crește numai VOUT în raport cu VIN, care este exact opusul regulatorului buck.

Timp: 4: 45s De la exemplul meu de regulator boost, eu sunt folosind un PCB aici, care are de fapt două regulatoare de comutare. Cel de sus aici este un regulator inversor, care este o topologie foarte interesantă, dar nu avem timp aici să vorbim despre el, deci este dezactivat.

Partea de jos este un regulator boost, iar piesele sunt destul de mici. Condensatorul de intrare este de fapt ascuns sub conductorii de intrare. Acesta este inductorul de putere și dioda de ieșire este ascunsă în spatele acestui dispozitiv de testare pe care îl folosesc pentru a efectua măsurători foarte precise ale nodului de comutare, în timp ce condensatorul de ieșire este, de asemenea, ascuns sub acest dispozitiv de testare, care este acolo pentru a efectua măsurători precise pentru tensiunea de ieșire.

Chiar acum am +5 V ce vin de la sursa mea ATX și aproximativ 14,7 V la ieșire. S-ar putea să vă întrebați de ce aș avea 14,7 volți, iar răspunsul cinstit este că acest circuit, ca și majoritatea celor pe care le-am arătat, este unul rămas din lucrurile pe care le-am făcut mai ales pentru diferite tipuri de clienți. 14,7 volți nu este o tensiune tipică, dar acestea sunt regulatoare reglabile, astfel încât să puteți obține aproape orice tensiune doriți din ele.

Aici este convertorul boost din nou, dar de data aceasta măsor curentul de intrare și curentul de ieșire, astfel încât atunci când am comutat "ON", cei 5 volți consumă aproximativ 900 mA (0,9A) la ieșire și 3,5 A la intrare. Amintiți-vă că acesta este opusul convertorului buck și în convertorul buck, deoarece tensiunea de ieșire este mai mică, curentul de intrare este întotdeauna mai mic decât curentul de ieșire.

În convertorul boost este invers. Deoarece eficiența energetică este ridicată, puterea de intrare este aproximativ egală cu puterea de ieșire. Deci, deoarece tensiunea de intrare este mai mică decât tensiunea de ieșire, curentul de intrare este mai mare decât curentul de ieșire.

Timp: 6: 25s Pentru ultimul test al convertorului boost, am circuitul alimentând aceeași sarcină la aproximativ 900mA și 5V intrare la 14,7V ieșire și putem vedea nodul de comutare în galben și tensiunea de ieșire AC cuplată în albastru.

Există două lucruri importante de remarcat ca diferențe între acest și convertorul buck. Tensiunea nodului de comutare variază între zero și tensiunea de ieșire, iar ripplu este mult mai mare. Acest lucru este întotdeauna adevărat într-un convertor boost. În convertorul boost, tensiunea de intrare este mult mai netedă, în timp ce tensiunea de ieșire are mai mult ripplu, iar contrariul este adevărat într-un convertor buck.

Inversarea regulatorului Buck-boost

Timp: 7: 02s Topologia finală a celor trei elemente de bază este regulatorul Buck-boost. După cum sugerează și numele, poate genera o tensiune de ieșire a cărei valoare reală este mai mare sau mai mică decât cea a tensiunii de intrare. Dar, și acesta este un mare dar, polaritatea tensiunii de ieșire este inversată în raport cu intrarea.

Numărul de circuite modern care necesită tensiuni negative (-ve) se micșorează. Dar amplificatoarele sensibile, senzorii și alte echipamente utilizează încă tensiuni pozitive și negative pentru a funcționa.

Ca la boost, buck-boost folosește abilitatea uimitoare a inductorului de a face această tensiune negativă. În acest caz, tensiunea pe inductor inversează polaritatea pentru a menține debitul curent, când TR1 comută "OFF". Dacă inspectați funcția de transfer din stânga, în teorie, tensiunea de ieșire poate ajunge la infinit negativ. În practică, ajungeți la aproximativ minus de 10 ori tensiunea de intrare, (-10 * VIN).

Timp: 7: 50s Îmi pare rău să spun că nu am putut găsi nici o placă de evaluare sau PCB demo pentru a arăta și un regulator inversor buck-boost. Dar, uzual, puteți lua aproape orice regulator buck și să-l transformați într-un buck-boost inversor prin schimbarea polarității și conectării diodei de ieșire și a inductorului de ieșire. Deși, poate aș putea să fac așa ceva într-un videoclip viitor.

Regulatorul flyback

Timp: 8: 11s Nici o discuție despre regulatoarele de comutare nu ar fi completă fără regulatorul flyback. În ceea ce privește volumul mare, cel mai des întâlnit în prezent switch este buck. Doar telefonul mobil are aproximativ cinci sau zece, dar flyback-ul este numărul doi. Aproximativ fiecare sursă de alimentare AC la DC sub 50 de wați folosește această topologie foarte flexibilă într-o formă sau alta.

Regulatorul flyback se bazează pe regulatorul buck-boost, dar are două înfășurări în inductorul său. De fapt, dacă ați făcut Nps care este raportul celor două înfășurări egal cu unu (1:1), regulatorul flyback și regulatorul buck-boost ar avea exact aceeași funcție de transfer. Raportul dintre aceste înfășurări permite VOUT să fie egal cu VIN, dar ar putea fi, de asemenea, mult, mult mai mare sau mult, mult mai mic.

Cele două înfășurări pot fi, de asemenea, izolate și acest lucru este excelent atât pentru siguranța electrică, cât și pentru a nu electrocuta pe nimeni și, de asemenea, pentru a izola circuitele sensibile de cele zgomotoase. În cele din urmă, când ieșirea flyback este deconectată prin transformator sau inductor cuplat, poate fi pozitivă sau negativă.

Timp: 9: 05 Cu toate firele deconectate vă pot arăta cele mai importante părți ale acestei surse. Deci avem aici condensatoare de intrare, un MOSFET de putere discret aici pe partea primară. Acesta este transformatorul sau mai bine cunoscut ca un inductor cuplat, dioda de ieșire și condensatoarele de ieșire. Observați, de asemenea, că există această separare între partea primară și cea secundară, astfel încât acesta poate fi un convertor izolat, din nou pentru siguranța electrică sau pentru a scăpa de zgomot.

Pe partea din spate se poate vedea din nou separația de aici, iar aceste diode sunt, de fapt, scurtcircuitarea masei primarului la masa secundarului. Deci acest circuit particular nu este izolat, dar ar putea fi. Dacă am fi vrut să-l izolăm, am scăpa de aceste rezistoare și am folosi un dispozitiv numit opto-cuplor pentru a face feedback pentru controlul sursei de alimentare.

Sursa de alimentare Flyback

Timp: 9: 54s Aici am o mică sursă de alimentare Flyback care este proiectată să funcționeze de la 36 de volți până la 72 de volți. Aceasta este, tipic, cunoscută ca o gamă de telecomunicații. Este foarte, foarte la limită din ceea ce pot face cu sursa mea ATX. Deci, pentru a obține acești 22,4 V, care ar trebui să fie de 24 V, eu de fapt merg de la (-12V) până la (+ 12V) și pot face asta deoarece sursa de alimentare ATX utilizează aceeași masă comună pentru ambele aceste două.

Dar aici e o problemă. Dacă aș încerca să măsor cu o sondă de osciloscop aici. Din moment ce aceasta este masa, de îndată ce mă conectez și ating aici, sursa mea de alimentare comută "OFF", deoarece am provocat un scurt-circuit de la tensiunea de ieșire la masă. Deci, ceea ce am de gând să fac este să trișez puțin și de fapt să folosesc ceea ce se numește o sursă izolată de laborator pentru a face restul experimentelor.

Aici este din nou regulatorul flyback, dar acum este alimentat cu 48 V la intrare și asta vine de la această sursă de putere DC triplă de laborator. Am verificat pe eBay și acestea costă tipic de la aproximativ 100 de euro la 200 de euro.

Forme de undă ale sursei de alimentare flyback

În orice caz, un regulator flyback are de fapt două noduri de comutare. Se compune din două inductoare care sunt cuplate pe același miez. Deci, ne uităm la partea primară conectată la MOSFET-ul de putere în galben, iar partea secundară conectată la diodă în albastru. De asemenea, observați că aceste tensiuni sunt mult mai mari decât cele cu care am avut de-a face până acum.

M-ați văzut în aceste filme că ating circuitele în timp ce funcționează, și asta e bine, poate pentru circuite care operează până la 12 V sau cam așa ceva, dar cu siguranță nu aș atinge acest circuit in timp ce operează la 48 V, deoarece este de ajuns pentru a vă da un șoc urât.

Aceasta încheie partea 4 a surselor de alimentare pentru non-EE. Rămâneți atenți pentru partea a 5-a unde vom compara și contrasta diferitele tipuri de surse de alimentare până acum, pentru a vedea care dintre ele funcționează cel mai bine și în ce situații.

În numele meu și electronice- tutorials.ws mulțumesc pentru vizionare.

Sfârșitul transcrierii.

Puteți găsi mai multe informații și un tutorial minunat despre sursele de alimentare buck și boost, urmând acest link despre: Switch Mode Power Supply .

În partea a 5-a și tutorialul final despre sursele de alimentare pentru începători, vom discuta și compara diferitele tipuri de surse de alimentare, inclusiv sursa de alimentare în comutație și liniară la care ne-am uitat anterior.