سلام دوستان! امیدواریم حال همه شما عالی باشه. در این آموزش، قصد داریم جزئیاتی راجع به مبدل های کاهنده ولتاژ DC به نام مبدل باک (Buck Converter) را ارائه کنیم. مبدل باک یک مبدل قدرت است که عمدتاً برای پایین آوردن ولتاژ از ورودی به بار خروجی استفاده می شود. عمدتاً از دو نیمه هادی و یک قطعه ذخیره کننده انرژی تشکیل شده است که می تواند خازن یا سلف باشد. در مدارهایی که ایزولاسیون الکتریکی نیاز نیست، این مبدل بهترین کار را انجام می دهد.
مقدمه ای بر مبدل BUCK
مبدل های باک مبدل های قدرتی هستند که عمدتاً برای تبدیل ولتاژ بالا به ولتاژ پایین استفاده می شوند. این مبدل ها بسیار کارآمد هستند و تقریبا 90 درصد کارایی را نشان می دهند.
از آنها برای انجام یک کار خاص مانند تبدیل ولتاژ منبع تغذیه 12 ولت در رایانه به 1.8 ولت استفاده می شود تا برای کارکرد قطعات کوچک مانند USB، CPU و DRAM مفید باشند.
ترانزیستور مورد استفاده در مبدل باک به عنوان یک قطعه سوئیچینگ عمل می کند. به دست آوردن خروجی پیوسته هدف اصلی مبدل باک است که با استفاده از انرژی ذخیره شده در خازن می توان به آن دست یافت.
بطور کلی مبدل باک به کمک سوییچینگ یک ترانزیستور دوقطبی یا ماسفت می تواند سطح ولتاژ در خروجی را کاهش دهد. این کاهش به میزان زمان روشن بودن ترانزیستور نسبت به زمان کل سوییچینگ وابسته است:
Vout = Vin × (Ton / (Ton + Toff)).
ترانزیستور در فرکانس بالا بین روشن و خاموش سوئیچ می کند. انرژی ذخیره شده در خازن به طور عمده در مبدل باک در حالت خاموش ترانزیستور استفاده می شود و استفاده از آن برای به دست آوردن خروجی پیوسته مفید است.
نمودار مدار مبدل باک در زیر آورده شده است:
مبدل باک عمدتاً به عنوان مبدل DC به DC نامیده می شود. ورودی منبع را می توان مستقیماً از منبع DCیا از منبع AC اصلاح شده به دست آورد.
پس از دریافت ورودی DC، این ولتاژ از یک ترانزیستور سوئیچینگ عبور می کند که ئآن را به یک منبع AC تبدیل می کند. در نهایت منبع AC در ولتاژ خروجی به منبع DC تبدیل می شود.
1. اصول کاری مبدل باک
مبدل باک از ترانزیستور سوئیچینگ، دیود و عناصر ذخیره انرژی مانند خازن یا سلف تشکیل شده است. ترانزیستور به طور مداوم بین روشن و خاموش سوئیچ می کند. هنگامی که سوئیچ ترانزیستور روشن است با T(on) و زمانی که خاموش است با T(off) نشان داده می شود. سیکل وظیفه (کاری) را می توان با تقسیم زمان روشن شدن سوئیچ بر کل زمان سیکل بدست آورد.
D = T(on)/T
سلف ها به دو صورت کار می کنند، یکی به صورت عنصر مخالف تغییر جهت جریان و دیگری به عنوان یک عنصر ذخیره کننده انرژی. انرژی در سلف ذخیره می شود و از بالا رفتن بیش از حد خروجی جلوگیری می کند و با خاموش شدن ترانزیستور این انرژی ذخیره شده آزاد می شود.
اگر ترانزیستور روشن باشد:
هنگامی که ترانزیستور روشن است، جریان از سلف L عبور می کند. جریان عبوری از بار توسط سلف محدود می شود و مقدار انرژی اضافی در سلف ذخیره می شود. هنگام روشن شدن ترانزیستور، نمودار مدار مبدل باک در شکل زیر نشان داده شده است.
دیودی که بایاس معکوس است در عملکرد مبدل باک شرکت نمی کند زیرا ولتاژ مثبت زیادی در پایه کاتد دیود ظاهر می شود. هنگامی که کلید ترانزیستوری بسته است، ولتاژ دو طرف سلف افت خواهد کرد.
V(Inductor) = V(in) - V(out)
خازن مورد استفاده در این نمودار مدار به طور پیوسته تا حداکثر ظرفیتش شارژ می شود و انرژی خود را زمانی که ترانزیستور در حالت خاموش قرار می گیرد آزاد می کند.
اگر ترانزیستور خاموش باشد:
هنگامی که ترانزیستور در حالت خاموش قرار می گیرد، دیود موجود در مبدل باک به حالت مستقیم تبدیل می شود و باعث می شود کاتد آن منفی و سمت آندش مثبت تر شود. هنگام خاموش شدن ترانزیستور، نمودار مدار مبدل باک در شکل زیر نشان داده شده است.
هنگامی که ترانزیستور خاموش است، سلف به طور خودکار قطبیت خود را با توجه به قطبیت داده شده در هنگام روشن بودن ترانزیستور تغییر می دهد. اکنون ولتاژ دو سر سلف را back emf می گویند و در حالت خاموش انرژی خود را به مدار برمی گرداند. در اینجا
V(inductor) = - V(out)
گاهی اوقات به حداقل خروجی در ولتاژ خروجی نیاز داریم، در این حالت جریان عبوری از سلف صفر می شود. هنگامی که به زیر صفر می رسد، منجر به تخلیه خودکار انرژی خازن می شود که این انرژی در زمان روشن بودن ترانزیستور ذخیره شده است. هنگامی که خازن به طور کامل تخلیه می شود، به طور خودکار تلفات بالای سوئیچینگ را دربر خواهد داشتد. مدولاسیون فرکانس پالس برای جلوگیری از چنین تلفاتی استفاده می شود.
مقدار متوسط انرژی ذخیره شده در سلف همیشه در پایان سیکل ثابت باقی می ماند.
هنگامی که خروجی شروع به کاهش می کند، تنها منبع انرژی، انرژی خازن خواهد بود که باعث می شود جریانش از طریق بار عبور کند و همچنین از بالا رفتن بیش از حد آن جلوگیری می کند.
ما خروجی را به شکل موج دار در نظر می گیریم، به جای اینکه به شکل مربع باشد. و می توان آن را به صورت زیرتعریف کرد.
V(out) = V(in) * T(on)/ T
در اینجا T(on) مدت زمان سیکل زمانی که ترانزیستور روشن است و T زمان کل سیکل است.
ریپل تشکیل شده در مبدل باک نشان می دهد که ولتاژ در حالت روشن افزایش می یابد و در حالت خاموش کاهش می یابد.
2. بررسی شکل موج جریان در طول کل سیکل
اجازه دهید شکل موج جریان دیود، جریان سلف و جریان ورودی را در طول سیکل کلی بررسی کنیم.
این نمودار به وضوح نشان می دهد که جریان سلف برابر با مجموع جریان دیود و جریان ورودی/ جریان سوئیچ است.
در کل سیکل جریان ورودی بسیار کمتر از جریان خروجی خواهد بود و در نتیجه ولتاژ در خروجی کاهش می یابد. توجه داشته باشید که با فرض شرایط ایده آل، توان کلی سیکل ثابت می ماند. یعنی V(in)*I(in) = V(out)*I(out)
با این حال، به دلیل برخی از اتلاف انرژی ها، طراحی مدار ایده آل در واقعیت امکان پذیر نیست. حداکثر بازدهی که مبدل های باک عملی نشان می دهند حدود 85 درصد است.
3. کاربردهای مبدل باک
مبدل‌های باک بسته به کارایی و دوام آن، طیف وسیعی از کاربرد را نشان می‌دهند. برخی از کاربردهای اصلی آن در زیر آورده شده است.
USB ON-The-GO
USB On-the-GO عمدتاً برای اتصال ماوس، صفحه کلید و سایر دستگاه های مفید به تلفن هوشمند استفاده می شود. هدف اصلی استفاده از مبدل باک در USB، گرفتن برق از USB و رساندن آن به گوشی هوشمند است. از این رو منبع اصلی تنظیم قدرت در هر دو جهت است.
هنگامی که گوشی هوشمند به شارژ متصل می شود، مبدل باک برای شارژ باتری لیتیومی داخل گوشی هوشمند استفاده می شود.
هنگامی که تعدادی ماوس یا صفحه کلید به تلفن هوشمند متصل می شود، مبدل باک به ترتیب معکوس کار می کند و از باتری لیتیومی برق می گیرد و آن را به صفحه کلید یا ماوس متصل به تلفن هوشمند می رساند.
مبدل POL (نقطه بار) برای لپ تاپ
POL که به عنوان تنظیم کننده ولتاژ نیز شناخته می شود، مبدلی است که به طور گسترده در لپ تاپ ها و رایانه های رومیزی استفاده می شود. در کارکرد مادربرد در ولتاژ پایین بسیار مفید است.
پردازنده ها دستگاه های بسیار حساسی هستند که در لپ تاپ ها نصب می شوند و حتی کسری از افزایش ولتاژ می تواند به عملکرد و کیفیت کلی آن آسیب برساند. بنابراین، مبدل باک در لپ‌تاپ‌ها با حفظ ولتاژ پردازنده تا 1.8 ولت، کار خود را به خوبی انجام می‌دهد.
شارژرهای خورشیدی
مبدل های باک به طور گسترده ای در شارژرهای خورشیدی استفاده می شوند. آنها اغلب با یک میکروکنترلر داخلی ارائه می شوند که به مبدل باک اجازه می دهد حداکثر توان را جذب کند و به شارژ باتری در زمان محدود کمک می کند.
کوادکوپتر
کوادکوپترها دارای یک مبدل باک بسیار کارآمد برای کاهش ولتاژ ورودی هستند. کوادکوپتر بیشتر از منبع تغذیه DC مانند باتری های کوچک که به صورت سری قرار می گیرند استفاده می کند. معمولاً از 5 تا 6 باتری برای کارکرد کامل کوادکوپتر استفاده می شود. این باتری ها ولتاژی بین 6 تا 25 ولت ارائه می دهند.
مبدل باک در باتری ها این ولتاژ را به 3.3 ولت تبدیل می کند تا برای کنترلرهای پرواز که ستون فقرات کوادکوپتر است مفید باشد.
دیدگاه خود را بنویسید