مبدل DC به DC چیست؟ نحوه کار مبدل باک و بوست

مبدل DC به DC یک مدار الکترونیک قدرت است که به طور موثر جریان مستقیم را از یک ولتاژ به ولتاژ دیگر تبدیل می کند. بدون شک مبدل های DC-DC نقش مهمی در الکترونیک مدرن دارند. به این دلیل که آنها مزایای زیادی نسبت به رگولاتور های ولتاژ خطی دارند. رگولاتور های ولتاژ خطی گرمای زیادی را تولید می کنند و در مقایسه با رگولاتور های سوئیچینگ موجود در مبدل های DC-DC، راندمان بسیار پایینی دارند.

در این آموزش، در مورد مبدل های DC-DC، نحوه کار آنها و نحوه ساخت مدار برای آنها صحبت خواهیم کرد. انواع مختلفی از مبدل های DC-DC وجود دارد، اما ما دامنه این آموزش را به مبدل های تقویت کننده و مبدل های باک محدود می کنیم.

مقدمه ای بر مبدل های DC-DC

قبل از اینکه عمیقاً به اصول عملکرد مبدل های DC-DC بپردازیم، بیایید به مثالی نگاه کنیم که نشان می دهد چرا آنها بسیار مفید هستند. فرض کنید می خواهیم مداری با شرایط زیر بسازیم:

• مقاومت بار 2 اهم
• مقاومت 2.8 اهم
• منبع تغذیه 12 ولت DC
• ولتاژ بار 5 ولت

ما باید ولتاژ باتری 12 ولت را کاهش دهیم تا بار را با 5 ولت تامین کنیم. بنابراین، می توانیم یک مقاومت 2.8 اهم را به صورت سری با بار قرار دهیم تا ولتاژ مورد نیاز را تامین کنیم.

محاسبه بازده مبدل DC-DC

می توانیم بازده مدار را به صورت زیر محاسبه کنیم:

از این محاسبات می توان دریافت که بار تنها 12.5 وات از توان ورودی را مصرف می کند. قسمت باقی مانده (30 – 12.5 = 17.5 W) به گرما تبدیل می شود.

همانطور که متوجه شدید این بازده اصلا مناسب نیست. اگر مقاومت سری را لمس کنید، داغ می‌شود و ممکن است لازم باشد مکانیسم‌هایی را برای خنک کردن مدار خود استفاده کنید. به عنوان تلاشی برای به دست آوردن راه حل کارآمدتر، به مدار نشان داده شده در نمودار زیر نگاه کنید:

هنگامی که سوئیچ خاموش است، ولتاژ ورودی 0 ولت و زمانی که کنترل در وضعیت روشن است، ولتاژ ورودی 12 ولت است. نمودار زیر مدارهای معادل را برای موقعیت سوئیچ ON و OFF به ترتیب نشان می دهد.

اگر سوئیچ را همانطور که در نمودار (a) نشان داده شده است، کنترل کنیم، یک نمودار ولتاژ همانطور که در نمودار (b) نشان داده شده است، بدست می آوریم. T دوره سوئیچینگ است و واحدهای آن بر حسب میلی ثانیه یا میکروثانیه هستند.

در این مورد، متوسط ​​ولتاژ خروجی این سوئیچینگ 5 ولت است زیرا:

متوسط ​​ولتاژ خروجی این مدار 5 ولت است، اما می‌توانیم شکل موج خروجی را با استفاده از مدارهای فیلتر RC برای خلاص شدن از شر هارمونیک بهبود دهیم.

اگر سوئیچ را ایده آل فرض کنیم (کلید ایده آل کلیدی است که برق را از منبع مصرف یا اتلاف نمی کند) می توان بازده این مدار را 100% محاسبه کرد. هنگامی که سوئیچ در موقعیت روشن است، جریان عبوری از مدار 6A است. از آنجایی که ما یک سوئیچ ایده آل داریم، توان تلف شده P_diss = RI2 = 0 * 92 = 0W است. هنگامی که کلید در موقعیت خاموش است، هیچ جریانی از کلید عبور نمی کند، بنابراین در این حالت، توان تلف شده نیز 0 است.

با این حال، در یک سناریوی دنیای واقعی، یافتن یک سوئیچ ایده آل ممکن است چالش برانگیز باشد. این بدان معناست که در واقع مقداری توان تلف می‌شود، اما با وجود این اتلاف‌ها، راندمان تبدیل بالا است.

مبدل تقویت کننده Boost

مبدل های تقویت کننده ولتاژ منبع تغذیه را افزایش می دهند. به عنوان مثال، یک مبدل تقویت کننده می تواند یک منبع تغذیه 5 ولتی را بگیرد و آن را تا 25 ولت افزایش دهد. به طور معمول، مبدل های تقویت کننده DC-DC را در شارژرهای باتری یا پنل های خورشیدی پیدا می کنید. آنها همچنین می توانند برای تامین قطعات با ولتاژهای کاری متفاوت از یک باتری استفاده شوند.

این پیکربندی ولتاژ DC را تا سطحی که با انتخاب اجزای مدار شما تعیین می‌شود، افزایش می‌دهد. در اینجا یک شماتیک کلی از مبدل تقویت کننده آورده شده است.

پیکربندی اولیه شامل یک منبع تغذیه DC (Vin)، یک سلف (L)، یک دیود (D)، یک دستگاه سوئیچینگ (SW)، یک خازن صاف کننده (C) و مقاومت بار (Load) است. همچنین Vout ولتاژ خروجی است.

سوئیچ معمولاً یک دستگاه الکترونیک قدرت مانند ترانزیستور MOSFET یا BJT است که توسط سیگنال PWM کنترل می شود. این سیگنال PWM با سوئیچینگ بسیار سریع ترانزیستور، معمولا هزاران بار در ثانیه کار می کند.

مبدل تقویت کننده چگونه کار می کنند

برای اینکه بفهمیم یک مبدل تقویت کننده چگونه کار می کند، ابتدا نحوه کار یک سلف را درک می کنیم.

به یاد بیاورید که سلف یک جزء الکترونیکی غیرفعال است که می تواند انرژی الکتریکی را به شکل انرژی مغناطیسی ذخیره کند. ما می توانیم از این ویژگی برای کنترل ولتاژ خروجی مدار خود استفاده کنیم. هم اکنون به چگونگی کارکرد آن می پردازیم:

• اگر سوئیچ را باز کنیم، همانطور که در نمودار “وضعیت خاموش سوئیچ تقویت کننده” در بالا نشان داده شده است، جریان کمتری از باتری، از طریق سلف، از طریق دیود و شارژ خازن جریان می یابد.
• هنگامی که سوئیچ را می بندیم، همانطور که در نمودار “وضعیت روشن سوئیچ تقویت کننده” در بالا نشان داده شده است، جریان بزرگتری از باتری، از طریق سلف و از طریق سوئیچ جریان می یابد زیرا اکنون مسیری با کمترین مقاومت داریم. حالا سلف رفتار جالبی دارد. از آنجایی که اکنون مقدار بیشتری از جریان در مدار داریم، میدان مغناطیسی سلف گسترش خواهد یافت. این به این معنی است که سلف در حال ذخیره انرژی است و در طی این فرآیند، پتانسیل در سراسر سلف در سمت چپ مثبت و در سمت راست منفی خواهد بود.
• وقتی کلید را دوباره باز می کنیم، به دلیل امپدانس بالا، برقی که از مدار می گذرد، دیگر جریان زیادی نخواهد داشت. هنگامی که جریان عبوری از مدار کاهش می یابد، میدان مغناطیسی در سراسر سلف فرو می ریزد. در این فرآیند، انرژی الکتریکی که ذخیره شده بود اکنون آزاد می شود. این باعث می شود که قطبیت سلف تغییر کند. اکنون یک قطبیت منفی در سمت چپ و مثبت در سمت راست سلف داریم. اگر دقت کنید، سلف در حال حاضر با باتری سری است.

جریان عبوری از سلف نمی تواند فوراً تغییر کند. بنابراین، سلف سعی می کند با ایجاد یک ولتاژ بزرگ، آن تغییر را پشتیبانی کند. این بدان معنی است که ما اکنون ولتاژ تولید شده توسط سلف و ولتاژ باتری را در خازن داریم. فرض کنید ما همچنان سوئیچ را روشن و خاموش می کنیم و ولتاژ خروجی بالاتر از ولتاژ باتری خواهیم داشت.

ساخت مبدل تقویت کننده Boost

در این پروژه ما یک مبدل تقویت کننده 1.5 ولت به 5 ولت DC-DC می سازیم. اگر می‌خواهید این مدار را بسازید، اجزای مورد نیاز شما در زیر لیست شده است:

• منبع تغذیه 1.5 ولت DC
• یک سلف 180uH
• یک عدد دیود 1N3491
• یک عدد خازن 33uF
• یک عدد مقاومت 150 اهم
• یک ترانزیستور سوئیچینگ MOSFET یا JFET

منبع PWM مانند آردوینو Uno یا تایمر 555 است که می تواند چرخه کاری 50 کیلوهرتز، 5 ولت و 75 درصد تولید کند.

مبدل باک Buck

مبدل های باک ولتاژ منبع تغذیه را کاهش می دهند. این یک مدار الکترونیک قدرت است که ولتاژ DC را تا سطحی که با انتخاب اجزای مدار شما تعیین می‌شود، کاهش می‌دهد. برخلاف رگولاتورهای خطی که با اتلاف توان به عنوان گرما ولتاژ را کاهش می دهند، مبدل های باک با افزایش جریان ولتاژ را کاهش می دهند.

در اینجا یک شماتیک کلی از مبدل باک آورده شده است.

توجه داشته باشید که اینها همان اجزایی هستند که در مبدل تقویت کننده پیدا می کنیم، اما ترتیب قرار گیری آنها متفاوت است.

مبدل BUCK چگونه کار می کنند

برای بدست آوردن ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ باتری، کلید را قبل از سلف وصل می کنیم. وقتی سوئیچ را در این پیکربندی روشن و خاموش می کنیم، متوسط ​​ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ باتری خواهد بود.

• اگر کلید (SW) بسته باشد، جریان از طریق کلید به مدار می گذرد. با افزایش جریان، میدان مغناطیسی سلف گسترش می یابد. در حالی که این اتفاق می افتد، سلف انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می کند. مانند قبل، قطبیت سلف در سمت چپ مثبت و در سمت راست منفی خواهد بود. این ولتاژ مخالف ولتاژ منبع را خنثی می کند و بنابراین ولتاژ خالص در سراسر بار را کاهش می دهد.
• وقتی کلید را باز می کنیم، میدان مغناطیسی سلف فرو می ریزد و جریان از سلف از طریق دیود می گذرد. این جریان به جریانی که در مرحله اول جریان می یابد، یعنی حالت OFF اضافه می کند. به همین دلیل است که میانگین جریان در این نوع مبدل افزایش می یابد. این همچنین ولتاژ کاهش یافته را جبران می کند، بنابراین، برق عرضه شده به بار را حفظ می کند.

ساخت مبدل باک

در این پروژه ما یک مبدل 12 ولت به 5 ولت DC-DC Buck می سازیم. اگر می‌خواهید این را بسازید، به قطعات زیر نیاز دارید:

• منبع تغذیه 12 ولت DC
• یک ترانزیستور سوئیچینگ MOSFET یا JFET
• یک عدد دیود 1N3491
• یک سلف 100uH
• یک عدد خازن 50uF
• یک مقاومت 4.7 اهم
• منبع PWM مانند آردوینو یا تایمر 555

این هم شماتیک:

در این آموزش با دو نوع اصلی مبدل DC-DC یعنی مبدل های باک و مبدل های تقویت کننده آشنا شدیم. ما همچنین یاد گرفتیم که این مبدل ها چگونه کار می کنند و چگونه برای آنها مدار بسازیم. در صورت داشتن هرگونه سوال در زیر نظر خود را بنویسید!