12-V-zu-5-V-Wandlerschaltung – Aufwärts- und Abwärtswandler

12-V-zu-5-V-Wandlerschaltung – DC-DC-Abwärtswandlung 

Wir haben nicht immer eine 5-V-Batterie zur Verfügung, und manchmal benötigen wir gleichzeitig eine höhere Spannung und eine niedrigere Spannung, um verschiedene Teile derselben Schaltung anzutreiben. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir eine höhere Spannung, die in unserem Fall eine 12-V-Batterie als Hauptstromquelle ist, und verringern diese Spannung, um eine niedrigere Spannung zu erhalten, sagen wir 5 V, wo immer dies erforderlich ist. Um dies zu erreichen, wird in vielen elektronischen Geräten und Anwendungen eine BUCK CONVERTER-Schaltung verwendet, die die Spannung absenkt, um sie an die Anforderungen der Last anzupassen.

Lassen Sie mich zuerst etwas über Konverter erzählen. Im Großen und Ganzen gibt es drei Arten von Wandlern, wobei der erste ein Buck-Wandler ist, der die Spannung von einer höheren Quellenspannung heruntertransformiert. Zweitens, Aufwärtswandler, der die Spannung von einer niedrigeren Quellenspannung heraufsetzt. Darüber hinaus gibt es einen weiteren Wandler, der eine Kombination der beiden in irgendeiner Form darstellt, der beliebtere ist der Buck-Boost-Wandler, der zuerst die Spannung senkt und dann auf den erforderlichen Wert hochschaltet. Ich werde versuchen, jeden der oben genannten Konverter ausführlich zu erklären, damit das Verständnis der bevorstehenden Schaltung sinnvoller wird.

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Was ist ein Buck Converter?

Ein Abwärtswandler (auch Abwärtswandler genannt) ist ein Gleichspannungswandler , der die Spannung vom Eingang zu seinem Ausgang heruntersetzt. Der Abwärtswandler erzielt seine Ausgabe mit Halbleiterschaltgeräten, bei denen es sich im Allgemeinen um Dioden und Transistoren handelt, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind und jeweils zu bestimmten Zeiten geschaltet werden, um schließlich die erforderliche Ausgabe zu liefern. Abwärtswandler können sehr effizient sein, manchmal sogar bis zu 90 %.

Die grundlegende Abwärtswandlerschaltung besteht aus dem Schalttransistor zusammen mit der Schwungradschaltung. Wenn der Transistor im EIN-Zustand ist, fließt der Strom über die Induktivität durch die Last. Der Induktor wirkt Änderungen der Stromflussrichtung entgegen und speichert dabei Energie. Die parallel zur Last geschaltete Diode ist jetzt nicht funktionsfähig, da sie in Sperrichtung vorgespannt ist.

Der in der Schaltung fließende Strom lädt auch den Kondensator auf. Wenn nun der Transistor ausgeschaltet wird, legen der geladene Kondensator und die Induktivität wegen der Gegen-EMK eine Spannung über die Last an. jetzt, da es keine Spannungsquelle in der Schaltung gibt. Die in der Induktivität gespeicherte Energie reicht zumindest für einen Teil der Zeit aus, in der der Schalter geöffnet ist. Wenn sich die Zeiten ändern, für die der Schalter EIN und AUS gehalten wird, ändert er wiederum die Ausgangsgleichspannung zwischen 0 V und V_in .

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Das folgende Diagramm zeigt einen einfachen Abwärtswandlerbetrieb.

Was ist ein Boost-Konverter?

Ähnlich wie ein Abwärtswandler, ein Aufwärtswandler (auch bekannt als Aufwärtswandler) ist auch eine Klasse von Schaltnetzteil-Konvertern. Aber der Betrieb eines Aufwärtswandlers ist genau das Gegenteil von dem eines Abwärtswandlers. Der Buck-Konverter wandelt die Spannung von einem höheren Versorgungswert auf den erforderlichen Wert herunter, während der Boost-Konverter die Spannung von einem niedrigeren Versorgungswert heraufsetzt.

Das Grundprinzip eines Aufwärtswandlers besteht aus zwei unterschiedlichen Zuständen. Im ersten Zustand ist der EIN-Zustand, wenn die mit der Source-Seite verbundene Induktivität geladen wird, wenn der Schalter EIN ist. Dann, wenn der Schalter AUS ist, ist der einzige Weg, der dem Induktorstrom zum Fließen angeboten wird, die Freilaufdiode, der Kondensator und die Last. Dadurch wird Energie, die sich im EIN-Zustand angesammelt hat, in den Kondensator übertragen. Wenn das Schalten des Schalters ziemlich schnell ist, entlädt sich der Induktor zwischen den Ladezuständen nicht vollständig. Daher ist die Spannung über der Last immer größer als die der Eingangsquelle, wenn der Schalter ausgeschaltet ist.

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Das folgende Diagramm zeigt einen einfachen Aufwärtswandlerbetrieb.

Buck-Boost-Konverter

Buck-Boost-Wandler ist eine Art DC-DC-Wandler. Die Ausgangsspannung ist größer oder kleiner als die Eingangsspannung.

Invertierender Buck-Boost-Wandler mit einem sehr grundlegenden Prinzip. Im EIN-Zustand ähnelt der Betrieb dem eines Aufwärtswandlers, bei dem die Induktivität Energie speichert. Ein Kondensator, der während dieser Zeit Energie an die Last liefert, ist über die Last zu verbinden. Im AUS-Zustand ist die Induktivität mit der Ausgangslast und dem Kondensator verbunden, sodass die in der Induktivität gespeicherte Energie an den Kondensator und die Last abgegeben wird. Der Kondensator wird während dieser Zeit aufgeladen.

Ein einfaches Diagramm unten zeigt das Arbeitsprinzip eines Buck-Boost-Wandlers.

Nun, es gibt viele Möglichkeiten, unseren erforderlichen BUCK CONVERTER zu erreichen, aber wir verwenden den beliebtesten Schaltregler, der in diesem Segment erhältlich ist, mit dem IC MC34063. Die andere beliebte Methode ist die Verwendung einer Schaltung von MOSFETs, die nach einem festen Muster geschaltet werden.

Erforderliche Komponenten

1. Schaltregler-IC MC34063
2. 1N5819 Schottky-Diode
3. 2k Widerstände
4. 6,2k Widerstände
5. 26 Ohm Widerstände
6. 62 uH Induktor, 1,5 A
7. 100uF, 25V und 359uF, 25V Kondensator
8. 428pF Keramikscheibenkondensatoren
9. 12-V-Netzteil mit 1,5 A Nennleistung
10. Verbindungsdrähte

IC MC34063

MC34063 ist eine monolithische Steuerschaltung mit allen Funktionen, die für den Bau von DC/DC-Wandlern erforderlich sind. Es besteht aus mehreren Funktionen, die Komparator, Oszillator, Hochstromausgangsschalter und aktive Spitzenstrombegrenzung sind. MC34063 ist in DIP-, SOIC- und SON-Paketen erhältlich. Es gibt jeweils acht Stifte. Die Tabelle davon ist unten angegeben.

MC34063 Pinbelegung
Pin-Nr.	Pin-Name	Beschreibung
1	Kollektor wechseln	Interner Kollektoreingang für hohen Strom
2	Emitter schalten	Emittereingang für internen Hochstromschalter
3	Timing-Kondensator	Anschließen eines Zeitkondensators an eine variable Schaltfrequenz
4	Masse (GND)	Masse (GND)
5	Komparator invertierender Eingang	Befestige ein Widerstandsteilernetzwerk, um eine Rückkopplungsschleife aufzubauen
6	Spannung (Vcc)	Logikversorgungsspannung
7	Ipk	Stromgrenzsensoreingang
8	Treibersammler	Darlington-Paar-Treibertransistor-Kollektoreingang

Einige der IC MC34063-Funktionen lauten wie folgt:

1. Temperaturkompensierte Referenz
2. Strombegrenzungsschaltung
3. Oszillator mit gesteuertem Tastverhältnis mit aktivem Hochstrom-Treiberausgangsschalter
4. Akzeptiert 3,0 V bis 40,0 V DC
5. Kann mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz mit einer Toleranz von 2 % betrieben werden
6. Sehr niedriger Standby-Strom
7. Einstellbare Ausgangsspannung

Außerdem ist dieser IC weit verbreitet und wesentlich kostengünstiger als die anderen in diesem Segment erhältlichen ICs. Deshalb werden wir diesen IC für unsere Schaltung verwenden.

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Die Pinbelegung von MC34063 ist wie unten angegeben.

Es gibt viele Anwendungen im Zusammenhang mit MC34063, einige davon sind Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI), tragbare Geräte, Mess- und Testgeräte, Gas- und Blutanalysatoren, Computer, Telekommunikation, Kabel Lösungen usw.

1N5819

Die 1N5819 ist eine Metall-Silizium-Leistungsdiode, die auch als Schottky-Gleichrichter bezeichnet wird und das Schottky-Barriere-Prinzip anwendet. Es wird hauptsächlich als Gleichrichter in Hochfrequenz-Niederspannungswechselrichtern, Verpolungsschutzdioden und Freilaufdioden verwendet. Sie wird auch als Oberflächensperrdiode, Heißelektronendiode oder Heißträgerdiode bezeichnet. Es unterscheidet sich ein wenig von normalen Dioden mit PN-Übergang, bei denen Metalle wie Platin oder Aluminium anstelle von Halbleitern vom P-Typ verwendet werden. Bei einer Schottky-Diode sind Halbleiter und Metall verbunden und bilden einen Metall-Halbleiter-Übergang, bei dem die Halbleiterseite als Kathode und die Metallseite als Anode wirkt. Wenn sich zwischen Metall und Halbleiter ein Metall-Halbleiter-Übergang bildet, entsteht eine Verarmungsschicht, die auch als Schottky-Barriere bezeichnet wird.

Schottky hat eine geringe gespeicherte Ladung und weist einen geringeren Leistungsverlust und mechanische Eigenschaften mit höherem Wirkungsgrad auf. Es ist so hergestellt, dass alle Außenflächen korrosionsbeständig sind und Anschlüsse leicht lötbar sind, wo Strom nur in eine Richtung fließt und es den Stromfluss in die andere Richtung stoppt. Der Leistungsabfall, der in dieser Diode auftritt, ist geringer als bei PN-Übergangsdioden. Wenn Spannung an die Diodenanschlüsse angelegt wird, beginnt Strom zu fließen, was zu einem kleinen Spannungsabfall an den Anschlüssen führt. Die geringeren Spannungsabfälle führen zu einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Schaltgeschwindigkeit.

Das obige schematische Diagramm zeigt das elektrische Symbol für eine Schottky-Diode.

12V – 5V Schaltplan

Der obige Schaltplan zeigt die Schaltung zusammen mit allen berechneten Werten für unseren erforderlichen Betrieb.

Betrieb des 12-V- bis 5-V-Stromkreises

Schließen Sie die Schaltung wie im Schaltplan angegeben richtig an. Um diesen Chip mit Strom zu versorgen, verbinden wir zuerst +V mit Pin 6 und Pin 4 mit Masse. Gleichzeitig schließen wir einen Kondensator CIN an, um überschüssiges Rauschen aus der Stromversorgung zu filtern. Pin 3 ist mit CT verbunden, der die Schaltgeschwindigkeit der Schaltung bestimmt. Pin 5 ist der invertierende Anschluss des Komparators. Die Spannung des nicht invertierenden Anschlusses beträgt 1,25 V vom internen Spannungsregler. Am invertierenden Anschluss platzieren wir ein Widerstandsnetzwerk, das aus zwei Widerständen besteht. Diese entscheiden über die Verstärkung des Operationsverstärker-Komparators. Auf diese Weise stellen wir einen Abwärtswandler her, der nun unseren Eingang von 12 V DC auf 5 V DC heruntersetzt.

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Anwendungen

Es gibt viele Anwendungen in unserem täglichen Leben, die nur Niederspannungseingänge benötigen. Sie benötigen aus Sicherheitsgründen auch geregelte 5 V. Zum Beispiel Batterieladegeräte, Wi-Fi-Module, Arduino-Module und so weiter. Die obige Schaltung erfüllt die Eingangsanforderungen aller oben genannten und vieler weiterer Anwendungen.

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