Comment fonctionne le convertisseur Buck ? | Convertisseur DC-DC - 1 - Schémas et Montages : schémas et circuits électroniques pdf schémas et circuits électroniques

Comment fonctionne le convertisseur :

Convertisseur DC-DC :

Comment fonctionne le convertisseur Buck ? | Convertisseur DC-DC - 1 :

Pour abaisser la tension alternative, nous utilisons un transformateur. Mais comment abaisser la tension continue ? Nous utilisons un convertisseur buck. Qu'est-ce qu'un convertisseur buck ? Dans cette vidéo, nous allons explorer le processus de conception et le fonctionnement d'un convertisseur buck, qui est utilisé pour abaisser efficacement la tension continue. Si vous avez une source, disons en courant continu, et un interrupteur qui est allumé et éteint périodiquement, vous obtenez un signal PWM. La durée pendant laquelle un signal numérique est dans l'état actif par rapport à la période du signal est appelée son rapport cyclique. Si l'interrupteur est allumé pendant une longue durée, le rapport cyclique augmente, et s'il est allumé pendant une courte durée, le rapport cyclique diminue. Maintenant, si vous calculez la moyenne d'un cycle avec un rapport cyclique de 50 pour cent, c'est la moitié de la tension d'entrée. C'est-à-dire que nous avons réduit la tension de 12 volts à 6 volts avec juste un interrupteur.

Pour des raisons d'efficacité, nous le remplacerons par un interrupteur électrique, ou un MOSFET. Ce MOSFET est contrôlé par un signal PWM. Comment il est généré et contrôlé sera expliqué plus tard dans la vidéo. Mais, ceci est simplement le signal PWM amplifié et il a des pics de tension élevés. Pour lisser cela, nous ajoutons une bobine en série avec la charge. Ceci est une bobine. La bobine souhaite maintenir le courant constant à travers elle-même, et pour cela, elle changera instantanément la tension à travers elle-même. Lorsque l'interrupteur se ferme, le courant commence à circuler. Pour résister à ce flux, la bobine fait chuter la tension à l'autre extrémité à zéro, créant une tension égale et opposée à celle de la batterie. Cela est possible grâce aux champs magnétiques générés dans la bobine. Mais elle ne peut pas le résister pendant longtemps, donc le courant commence à circuler et la tension à l'autre extrémité commence à augmenter.

Aussi, l'inducteur commence à stocker l'énergie dans ses champs magnétiques. Après un certain temps, le champ magnétique se stabilise et l'inducteur agira comme un interrupteur fermé, permettant un courant maximal de circuler. Maintenant, si vous ouvrez l'interrupteur, il n'y a plus de source pour fournir du courant et donc le courant commence à diminuer. Mais comme vous le savez, le courant à travers l'inducteur ne peut pas changer instantanément. Par conséquent, maintenant l'inducteur agit comme une batterie fournissant du courant, mais il se décharge lentement. Comme cette extrémité est ouverte, les électrons s'accumulent ici créant une tension négative élevée. Cela peut endommager les composants. Nous ajoutons donc une diode Schottky à faible chute de tension pour créer un chemin pour les électrons. Mais la tension à la charge présente toujours des pics de tension élevés. Par conséquent, nous augmentons la fréquence du signal PWM, de sorte que la tension et le courant de l'inducteur restent quelque peu stables.

C'est aussi la raison pour laquelle l'alimentation à découpage utilise des fréquences élevées. Pour les lisser davantage, nous ajoutons un condensateur en parallèle. Ceci est un condensateur. Le condensateur souhaite maintenir la différence de potentiel constante à travers lui-même, et pour cela, il va modifier le courant qui le traverse. Lorsque l'interrupteur se ferme, la tension augmente à 5 volts. Pour résister à cela, le condensateur laisse passer du courant à travers lui-même, élevant l'autre borne à 5 volts. Cela est possible grâce aux champs électriques qui sont générés dans le condensateur. Mais il ne peut pas laisser passer du courant pendant longtemps car les plaques se chargent, ce qui réduit le courant et la tension à l'autre extrémité commence à chuter vers la terre. De plus, le condensateur commence à stocker l'énergie dans ses plaques. Après un certain temps, les plaques se chargent complètement, donc aucun courant ne peut circuler et le condensateur agit comme un interrupteur ouvert.

Maintenant, si vous ouvrez l'interrupteur, il n'y a plus de source pour fournir une tension et donc la tension commence à chuter. Mais comme vous le savez, la tension aux bornes du condensateur ne peut pas changer instantanément. Par conséquent, le condensateur agit maintenant comme une batterie fournissant du courant. Mais il se vide lentement de son énergie et donc le flux de courant diminue et s'arrête après un certain temps, ce qui fait chuter la tension. Et ce que nous avons créé est le convertisseur buck. Cependant, il y a quelques problèmes, car la charge change, la tension aux bornes de la charge change également. Nous devons donc créer une rétroaction pour modifier le rapport cyclique du signal PWM par rapport à la charge. De plus, comment ce signal PWM est-il généré ? Voici le circuit complet. La tension en sortie est réduite par un diviseur de tension et est envoyée dans un amplificateur opérationnel qui agit comme un amplificateur d'erreur. Ce composant est connu sous le nom d'amplificateur opérationnel, ou op-amp en abrégé.

Il a deux entrées et une sortie, les deux autres bornes sont pour la tension d'alimentation. Il est utilisé pour amplifier la différence entre les entrées. Il compare les deux entrées. Si la tension à l'entrée non inverseuse ou la borne positive est supérieure à celle de l'entrée inverseuse, alors la sortie est la tension d'alimentation positive. Ou, si la tension à l'entrée inverseuse ou la borne négative est supérieure à celle de l'entrée non inverseuse, alors la sortie est la tension d'alimentation négative. Dans cette configuration, l'amplificateur opérationnel veut maintenir ses deux entrées à la même tension et pour cela, il va modifier sa sortie. Comme la rétroaction est sur l'entrée négative, la sortie varie en fonction de la tension à l'entrée négative. Cela peut être vu comme une balançoire. Lorsque la tension d'entrée diminue, la sortie augmente. Et lorsque la tension d'entrée augmente, la sortie diminue.

Voici comment fonctionne l'amplificateur différentiel. Ceci est un générateur d'onde triangulaire. La sortie de l'amplificateur d'erreur et du générateur d'onde est envoyée à un autre amplificateur opérationnel. Celui-ci agit comme un comparateur et produit le signal PWM qui contrôle le MOSFET. Ici, l'entrée négative est une tension constante provenant de l'amplificateur différentiel, et l'entrée positive est la forme d'onde triangulaire du générateur. Ainsi, lorsque l'onde triangulaire est supérieure à la tension constante, la sortie est la tension d'alimentation positive. Ici, elle est de cinq volts. Et lorsque la tension constante est supérieure à l'onde triangulaire, la sortie est la tension d'alimentation négative. Ici, elle est à la terre ou à zéro volt. Voici comment fonctionne le comparateur. Si la tension constante augmente, la durée de l'état actif diminue, et si la tension diminue, le rapport cyclique du PWM diminue également.

Ceci est un MOSFET à canal P. Un MOSFET à canal N s'allume lorsque la tension de la grille est supérieure à la tension de la source, tandis qu'un MOSFET à canal P s'allume lorsque la tension de la grille est inférieure à la tension de la source. Ainsi, lorsque le PWM est élevé, le MOSFET est éteint, et lorsque le PWM est bas, le MOSFET est allumé. Par conséquent, le rapport cyclique du PWM et du MOSFET est opposé. Lorsque l'un augmente, l'autre diminue. Mais vous pourriez vous demander pourquoi ne pas utiliser un MOSFET à canal N, car il s'allume lorsque la grille est haute et s'éteint lorsque la grille est basse ? Parce que la tension à la grille requise pour allumer le MOSFET à canal N doit être supérieure à la tension de la source. De plus, pendant le fonctionnement, la tension du drain et de la source sera presque la même. Ainsi, nous avons besoin d'une tension supérieure à Vcc à la grille pour allumer le MOSFET. C'est pourquoi nous utilisons un MOSFET à canal P. De plus, nous ajoutons une résistance de rappel entre la source et la grille.

Ceci est l'alimentation positive provenant de la batterie. Ces tensions sont créées à l'aide de régulateurs de tension. Comme ces tensions sont utilisées uniquement à des fins de référence, aucun courant n'est prélevé sur elles et aucune puissance n'est perdue. Dans les cas réels, en raison de composants non idéaux, une certaine puissance est perdue car ils consomment une petite quantité de courant.

Maintenant, examinons le fonctionnement du circuit complet. Nous aurons une tension d'entrée de 12 volts et nous voulons une sortie de 5 volts indépendamment de la charge. Maintenant, si nous augmentons la charge, le courant augmente, mais la modulation de largeur d'impulsion (PWM) est la même qu'auparavant, donc la tension diminue. Cela entraîne une baisse de tension au niveau de la référence, augmentant ainsi la différence entre celle-ci et la référence au niveau de l'amplificateur différentiel. Cela augmente la tension en sortie, puis le rapport cyclique de la PWM diminue à partir du comparateur, augmentant ainsi le temps d'allumage du MOSFET et augmentant la tension au niveau de la charge.

Aussi, nous pouvons changer la tension en modifiant la valeur du potentiomètre. Ce changement de résistance affectera la tension de rétroaction, ce qui modifiera la sortie de l'amplificateur d'erreur et donc le signal PWM.

Maintenant, lors de la conception de cela, il convient de prendre certaines précautions. Tout d'abord, la tension à l'amplificateur d'erreur doit toujours être inférieure à cette tension de référence. Par conséquent, nous sélectionnons le diviseur de tension de rétroaction de manière à ce que la tension ne dépasse pas 2 volts. Ainsi, la valeur de la résistance s'avère être de 100 kilo-ohms et de 20 k ohms pour le potentiomètre. Mais cela réduira la tension à un minimum de 6 volts. Par conséquent, nous utilisons un potentiomètre de 100 kilo-ohms. Pour cet agencement de l'amplificateur opérationnel et de la valeur de la résistance, la tension de sortie minimale est d'environ 4,5 volts. Pour ces valeurs, si la charge est réduite de manière importante, la tension de référence peut dépasser 2.

5 volts lorsque les composants de stockage d'énergie libèrent leur énergie. Ce n'est pas un problème avec ce circuit analogique car l'amplificateur d'erreur produira une sortie de zéro volt, ce qui éteindra le MOSFET. Cependant, pour un contrôleur PWM numérique, cela peut causer des problèmes ou les endommager.

Le deuxième problème concerne les entrées du comparateur. Dans cet agencement, nous obtenons une plage de 12 à 5 volts pour ces valeurs de résistance de rétroaction. Et si les entrées du comparateur sont inversées, alors la plage devient de 8 à presque zéro volt. De plus, la sortie haute tension se situe vers l'extrémité supérieure du potentiomètre. C'est ainsi que fonctionne le convertisseur buck en boucle fermée. La tension et le courant provenant de la source sont convertis en une tension plus basse et un courant plus élevé en sortie.

- Pour réduire la tension alternative, nous utilisons un transformateur. Mais comment réduire la tension continue ? Nous utilisons un convertisseur buck.

- Un convertisseur buck est utilisé pour abaisser efficacement la tension continue.

- Le convertisseur buck utilise un signal PWM pour contrôler un MOSFET et réguler la tension de sortie.