DIY Buck Converter:Anleitung zum Buck Converter

Wenn Sie häufig ein herkömmliches Netzteil mit linearem Ausgangsstrom verwenden, werden Sie zustimmen, dass es nicht so effizient ist. In diesem Fall ist ein Abwärtswandler eine bessere Option für die Ausgangsleistung, da er die Eingangsspannung effektiv senkt. Aber steckt mehr hinter einem DIY-Abwärtswandler?

Ja, das Gerät hat noch mehr zu bieten. Erstens hat es mindestens zwei Halbleiter. Und die Halbleiter wirken wie eine Diode und ein Widerstand. Aber Sie können die Diode durch einen zweiten Transistor ersetzen – was für die gleichzeitige Gleichrichtung nützlich ist.

Zweitens ist der Abwärtswandler sehr gut darin, Aufgaben wie das Ändern der Ausgangsversorgungsspannung eines Computers auf niedrigere Spannungen auszuführen, die Geräte wie CPU, USB und DRAM benötigen.

In diesem Artikel erfahren Sie jedoch mehr über den Abwärtswandler. Im Wesentlichen werden wir hervorheben, was es ist, wie es funktioniert und wie Sie eines erstellen können.

Kommen wir gleich dazu!

Was ist ein Abwärtswandler?

Vorhin haben wir kurz über den Buck-Konverter gesprochen. Aber wir werden hier ausführlich über das Thema sprechen. Allerdings ist ein Abwärtswandler eher ein DC-Power-to-DC- oder Step-down-Leistungswandler. Außerdem besteht seine Hauptfunktion darin, die Spannung von der Versorgung (Eingang) zur Last (Ausgang) zu reduzieren.

Da das Gerät, wie bereits erwähnt, über mindestens zwei Halbleiter verfügt, gehört es zu einer Klasse von SMPS (Switched Mode Power Supply).

Schaltnetzteil

Abgesehen von den zwei Halbleitern, die das Gerät hat, kommt es auch mit mindestens einem Energiespeicherelement.

Das fragliche Energiespeicherelement ist normalerweise entweder eine Induktivität, ein Kondensator oder eine Kombination davon. Wenn Sie also die Spannungswelligkeit von Leistungstransistoren reduzieren möchten, müssen Sie sicherstellen, dass der Abwärtswandler über Filter verfügt, die aus einfachen durchschnittlichen Kondensatoren (oder manchmal in Kombination mit Induktivitäten) bestehen, die dem versorgungsseitigen und lastseitigen Filter hinzugefügt werden.

Daher ist es nicht verwunderlich, dass Abwärtswandler im Vergleich zu linearen Netzteilen als DC-zu-DC-Wandler hervorragende Arbeit leisten, indem sie Energieeffizienz bieten. Außerdem ist es erwähnenswert, dass dieses Gerät zu über 90 % hocheffizient ist – was seine Effektivität bei Aufgaben wie dem Wechseln eines Solarladegeräts oder der Hauptversorgungsspannung eines Computers erhöht.

Wie funktioniert ein Buck Converter?

Bei Abwärtswandlern ist unbedingt zu beachten, dass der Schaltungsbetrieb des Geräts vom Leitungszustand des MOSFET abhängt. Mit anderen Worten, der Abwärtswandler arbeitet basierend auf seinem Zustand (aus oder an).

Der Strom im Stromkreis ist also Null – wenn das Gerät ausgeschaltet oder der Schalter geöffnet ist. Wenn der Schalter jedoch geschlossen oder eingeschaltet ist, steigt der Strom an. Außerdem erzeugt der Induktor eine entgegengesetzte Spannung an seinen Anschlüssen – als Reaktion auf die Stromänderung.

Infolgedessen sinkt der Eingangsspannungsbereich, was der Spannung der Quelle entgegenwirkt und die Nettospannung über der Last verringert.

Mit der Zeit verringern sich die Spannung über der Induktivität und die Stromänderungsrate. Daher steigt die Spannung an der Last. Während dies geschieht, speichert der Induktor Energie. Wenn also der Schalter öffnet, während sich der Strom noch ändert, erfährt die Induktivität einen Spannungsabfall. Außerdem ist die Spannungsquelle des Eingangsfilters höher als die Spannung an der Last.

Wenn der Schalter wieder in den Aus-Zustand geht, verlässt die Spannungsquelle den Stromkreis

Was zu einer Abnahme des Stroms führt. In diesem Fall liegt aufgrund des abnehmenden Stroms eine verringerte Spannung über der Induktivität an. Dann wird der Induktor zu einer Stromquelle.

Allerdings arbeitet die Abwärtswandlerschaltung in zwei verschiedenen Modi:kontinuierlich und diskontinuierlich. Der kontinuierliche Modus tritt auf, wenn der Wert des durch die Induktivität fließenden Stroms während des gesamten Kommutierungszyklus niemals auf Null fällt.

Wenn der Schalter schließt, ist die Buck-Chip-Spannung über der Induktivität folglich V_L =V_i – V_o . Und solange der Spannungsabfall nahezu konstant ist, steigt der Strom durch die Induktivität linear an.

Außerdem wird die Diode beim Öffnen des Schalters in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Strom wird also abnehmen und die Spannung über der Induktivität wird V_L sein =-V_o . dann ist die Energie, die der Induktor L speichert:

E =½ LI ² _L

Ferner nimmt die Energie im Induktor während des Aus-Zustands ab und steigt im Ein-Zustand an. Außerdem ist der Induktor L nützlich, um Energie vom Eingang zum Ausgang des Wandlers zu leiten. Der diskontinuierliche Modus hingegen tritt auf, wenn die Last sehr wenig Energie benötigt.

Somit fällt der durch die Induktivität fließende Strom auf Null. In diesem Fall entlädt sich der Ausgangskondensator in jedem Zyklus – was zu höheren Schaltverlusten führt.

Wie erstellt man einen einfachen Buck Converter?

Bevor Sie einen einfachen Abwärtswandler bauen, ist es wichtig, sich auf einen Schaltplan zu beziehen. Sie können also die hier verwenden.

Liste der benötigten Dinge

Schottky-Diode

Schottky-Diodenabschnitt

Potentiometer

Potentiometer

12-V-Eingangsbatterie

1 2-V-Bleibatterie

Einzeltafel

Widerstand (10k, 100 Ohm)

10K-Widerstand

Arduino UNO

Arduino-UDO-Board

IRF540N

Motor (Last)

Kondensator (100uf)

100uf Kondensatoren

Induktor (100Uh)

Kleine 100-uh-Induktivitäten

Sie können den Abwärtswandler in den folgenden Schritten erstellen:

1. Beginnen Sie, indem Sie die Endklemmen des Potentiometers mit dem 5-V-Stromschienenstift verbinden. Außerdem sollten Sie Ihren Erdungsstift von Arduino UNO jeweils anschließen, während sein Wischeranschluss an Pin A1 der analogen Elektronik geht.
2. Verbinden Sie den PWM-Pin 6 des Arduino mit der Unterseite des MOSFET.
3. Verbinden Sie den Pluspol der Batterie mit dem Drain des MOSFET. Und wiederholen Sie dasselbe für den negativen zum p-Anschluss der Schottky-Diode.
4. Verbinden Sie den Motor vom p-Anschluss der Schottky-Diode in Reihe mit der Induktivität mit dem Source-Anschluss des MOSFET.
5. Verbinden Sie den n-Anschluss der Schottky-Diode mit dem Source-Anschluss des MOSFET.
6. Schließen Sie den 47-uf-Kondensator über dem Motor an.
7. Schließlich können Sie den Erdungsstift von Arduino mit dem Source-Anschluss von MOSFET verbinden.

Ziel der Verwendung des MOSFET ist es, die Eingangsspannung mit hoher Frequenz zu ändern. Außerdem bietet es eine geringere Wärmeableitung bei einem hohen Strom. Darüber hinaus spielt der Induktor die Rolle, den MOSFET vor Hochspannungsspitzen zu schützen (was typisch für dieses elektronische Projekt ist).

Der Arduino ist nützlich für die hohe Schaltgeschwindigkeit des MOSFET. Und die Funktion der Schottky-Diode besteht darin, die Schleife für den Stromfluss zu vervollständigen. Wenn also beim Ausschalten des MOSFET keine Schottky-Diode vorhanden ist, gibt der Induktor seine Energie an den Motor ab. Dann hat es wegen der unvollständigen Schleife keine oder nur geringe Auswirkungen auf die Last.

Das Potentiometer ist eine weitere wichtige Komponente, die dem Arduino basierend auf der PWM-Spannung, die der Gate-Anschluss des MOSFET vom PWM-Pin 6 des Arduino erhält, einen analogen Wert bietet. Mit diesem Wert wird die Ausgangsspannung über der Last gesteuert.

Anwendungen des Buck Converters

Der Abwärtswandler ist sehr nützlich für einige gängige Anwendungen wie:

Batterieladegeräte

Batterie-Solarladegerät

Es ist typisch für die meisten Menschen, dass ihr tragbarer Akkupack oder ihr Smartphone schnell aufgeladen werden soll, ohne die Geräte zu erhitzen. Der Abwärtswandler ist also die Antwort und befindet sich normalerweise im Inneren des Mobilgeräts – da der Ladeanschluss ein Micro-USB-Anschluss ist.

Audio-Leistungsverstärker

Leistungssteuerung und Audioverstärker

Die Leistungsstufe eines Audio-Leistungsverstärkers ist ein Tiefsetzsteller. Und ein gutes Beispiel für dieses Gerät, das den Abwärtswandler verwendet, sind die Klasse-D-Verstärker.

Quadcopter

Dji Phantom Quadcopter

Mehrzellige Lithium-Akkupacks treiben Quadrocopter an. Und die Packkonfiguration besteht normalerweise aus zwei bis sechs Zellen in Reihe. Außerdem erzeugen die Akkupacks einen Spannungsbereich von etwa 6 V bis 25 V. Ein Abwärtswandler hilft also, die Batteriespannung auf etwa 5 V oder 3,3 V zu reduzieren, damit die Flugsteuerung des Geräts sie verwenden kann.

Sie finden den Abwärtswandler auf dem Stromverteilungs-PCB-Layout, das die Batterieleistung oder die elektronischen Geschwindigkeitsregler leitet.

Unterm Strich

Der DIY-Abwärtswandler ist das ideale Projekt, wenn Sie nach einem DC-DC-Wandler suchen, der eine hohe Spannung effizient in eine niedrige Spannung umwandelt. Außerdem ist das Gerät nützlich für Unterhaltungselektronik, die eine Stabilisierung der nachlassenden Spannung der Batterie unter Last erfordern.

Was haltet ihr von Abwärtswandlern? Planen Sie, das Projekt zu versuchen? Oder haben Sie Fragen? Bitte zögern Sie nicht uns zu kontaktieren.