Effizienter 12V auf 5V Abwärtswandler (Buck Converter) Schaltungsdesign

12V auf 5V Wandler Schaltung – DC-DC Step-Down Konvertierung

Wir haben nicht immer eine 5 V Batterie griffbereit, und manchmal benötigen wir gleichzeitig eine höhere und eine niedrigere Spannung, um verschiedene Teile desselben Schaltkreises anzutreiben. Um dieses Problem zu lösen, verwenden wir eine höhere Spannung, in unserem Fall eine 12 V Batterie als Hauptstromquelle, und wandeln diese Spannung ab, um eine niedrigere Spannung, sagen wir 5 V, zu erhalten, wo immer sie benötigt wird. Dafür wird ein BUCK CONVERTER Schaltkreis in vielen elektronischen Geräten und Anwendungen verwendet, der die Spannung an die Lastanforderung anpasst.

Zuerst möchte ich Ihnen etwas über Wandler erzählen. Grob gibt es drei Arten von Wandlern: der erste ist der Buck Converter, der die Spannung von einer höheren Quellspannung absenkt. Der zweite ist der Boost Converter, der die Spannung von einer niedrigeren Quellspannung erhöht. Zusätzlich gibt es noch einen Wandler, der eine Kombination der beiden in irgendeiner Form ist, der populärere ist der Buck-Boost Converter, der zuerst die Spannung absenkt und dann auf den erforderlichen Wert erhöht. Ich werde versuchen, jeden der oben genannten Wandler etwas detaillierter zu erklären, damit das Verständnis der kommenden Schaltungstechnik mehr Sinn ergibt.

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Was ist ein Buck Converter?

Ein Buck Converter (auch als Abwärtswandler bekannt) ist ein DC-DC-Wandler, der die Spannung vom Eingang auf seinen Ausgang absenkt. Der Buck Converter erreicht seinen Ausgang durch Halbleiterschaltbauelemente, die allgemein Dioden und Transistoren sind, die in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind und jeweils zu bestimmten Zeiten geschaltet werden, um schließlich den erforderlichen Ausgang zu liefern. Buck Converter können hocheffizient sein, manchmal oft bis zu 90 %.

Der grundlegende Buck Converter Schaltkreis besteht aus dem Schalttransistor zusammen mit dem Freilaufkreis. Wenn der Transistor im EIN-Zustand ist, fließt der Strom über die Spule durch die Last. Die Spule widert Änderungen der Stromflussrichtung und speichert dabei Energie. Die Diode, die parallel zur Last geschaltet ist, ist nun nicht funktionsfähig, da sie in Sperrrichtung gepolt ist.

Der im Stromkreis fließende Strom lädt auch den Kondensator. Nun, wenn der Transistor AUS geschaltet wird, legen der geladene Kondensator und die Spule eine Spannung über die Last an, wegen der Gegen-EMK, da nun keine Spannungsquelle im Stromkreis ist. Die in der Spule gespeicherte Energie reicht für mindestens einen Teil der Zeit, in der der Schalter offen ist. Wenn sich die Zeiten ändern, für die der Schalter EIN und AUS gehalten wird, ändert sich dementsprechend die Ausgangs-Gleichspannung zwischen 0 V und V_in.

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Das untenstehende Diagramm zeigt einen einfachen Buck Converter Betrieb.

Was ist ein Boost Converter?

Ähnlich wie ein Buck Converter ist ein Boost Converter (auch als Aufwärtswandler bekannt) auch eine Klasse von Schaltnetzteil-Wandlern. Aber der Betrieb eines Boost Converters ist genau das Gegenteil von dem eines Buck Converters. Der Buck Converter senkt die Spannung von einem höheren Versorgungswert auf den erforderlichen Wert ab, während der Boost Converter die Spannung von einem niedrigeren Versorgungswert erhöht.

Das Grundprinzip eines Boost Converters besteht aus zwei unterschiedlichen Zuständen. Im ersten Zustand, dem EIN-Zustand, wird die an der Quellseite angeschlossene Spule geladen, wenn der Schalter EIN ist. Dann, wenn der Schalter AUS ist, ist der einzige Pfad, der dem Spulenstrom zum Fließen geboten wird, die Freilaufdiode, der Kondensator und die Last. Dies führt zur Übertragung der Energie, die im EIN-Zustand akkumuliert wurde, in den Kondensator. Wenn der Schaltzyklus ausreichend schnell ist, wird die Spule zwischen den Ladezuständen nicht vollständig entladen. Daher wird die Spannung über der Last immer größer als die der Eingangsquelle sein, wenn der Schalter AUS ist.

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Das untenstehende Diagramm zeigt einen einfachen Boost Converter Betrieb.

Buck-Boost Converter:

Der Buck-Boost Converter ist ein Typ von DC-DC-Wandler. Er hat einen größeren oder kleineren Ausgangsspannungsbetrag als seinen Eingangs-Spannungsbetrag.

Der invertierende Buck-Boost Converter hat ein sehr grundlegendes Prinzip. Während im EIN-Zustand der Betrieb ähnlich wie beim Boost Converter ist, wo die Spule Energie speichert. Ein Kondensator versorgt die Last während dieser Zeit, der parallel zur Last geschaltet ist. Während im AUS-Zustand die Spule mit dem Ausgangslast und dem Kondensator verbunden ist, so dass die in der Spule gespeicherte Energie an den Kondensator und die Last abgegeben wird. Der Kondensator wird während dieser Zeit geladen.

Ein einfaches Diagramm unten zeigt das Funktionsprinzip eines Buck-Boost Converters.

Es gibt viele Möglichkeiten, unseren benötigten BUCK CONVERTER zu realisieren, aber wir verwenden den in diesem Segment beliebtesten Schaltregler, den IC MC34063. Die andere beliebte Methode ist eine Schaltung aus MOSFETs, die nach einem festen Muster geschaltet werden.

Benötigte Komponenten:

1. MC34063 Schaltregler-IC
2. 1N5819 Schottky-Diode
3. 2 kΩ Widerstände
4. 6,2 kΩ Widerstände
5. 26 Ω Widerstände
6. 62 µH Spule, 1,5 A
7. 100 µF, 25 V und 359 µF, 25 V Kondensator
8. 428 pF Keramik-Scheibenkondensatoren
9. 12 V Netzteil mit 1,5 A Nennstrom
10. Verbindungsdrähte

IC MC34063:

MC34063 ist ein monolithischer Steuerkreis, der alle Funktionen für den Aufbau von DC-DC-Wandlern enthält. Er besteht aus mehreren Funktionen: Komparator, Oszillator, Hochstrom-Ausgangsschalter und aktiver Spitzenstrombegrenzer. MC34063 ist in DIP, SOIC und SON Gehäusen erhältlich. Jedes hat acht Pins. Die Tabelle dazu ist unten gegeben.

MC34063 Pin-Belegung
Pin Nr.	Pin-Name	Beschreibung
1	Schalter-Kollektor	Hochstrom-interner Schalter-Kollektor-Eingang
2	Schalter-Emitter	Hochstrom-interner Schalter-Emitter-Eingang
3	Timing-Kondensator	Anschluss eines Timing-Kondensators für variable Schaltfrequenz
4	Masse (GND)	Masse (GND)
5	Komparator invertierender Eingang	Anschluss eines Widerstandsteilers für Rückkopplungsschleife
6	Spannung (Vcc)	Logik-Versorgungsspannung
7	Ipk	Strombegrenzungs-Sense-Eingang
8	Treiber-Kollektor	Darlington-Paar Treiber-Transistor Kollektor-Eingang

Einige IC MC34063 Eigenschaften sind wie folgt:

1. Temperaturkompensierte Referenz
2. Strombegrenzungsschaltung
3. Gesteuerter Tastzyklus-Oszillator mit aktivem Hochstrom-Treiberschalter-Ausgang
4. Akzeptiert 3,0 V bis 40,0 V DC
5. Kann mit 100 kHz Schaltfrequenz bei 2 % Toleranz betrieben werden
6. Sehr geringer Standby-Strom
7. Einstellbare Ausgangsspannung

Auch dieser IC ist weit verbreitet und viel kosteneffizienter als andere ICs in diesem Segment. Deshalb werden wir diesen IC für unseren Schaltkreis verwenden.

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Die Pin-Belegung des MC34063 ist wie unten dargestellt.

Es gibt viele Anwendungen, die mit MC34063 assoziiert sind, einige davon sind: Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), tragbare Geräte, Mess- und Prüftechnik, Gas- und Blutsanalyse, Computing, Telekommunikation, Kabel-Lösungen usw.

1N5819:

Die 1N5819 ist eine Metall-Silizium-Leistungsdiode, auch als Schottky-Gleichrichter bezeichnet, die das Schottky-Barrieren-Prinzip anwendet. Sie wird hauptsächlich als Gleichrichter in Hochfrequenz-Niederspannungs-Invertern, Polarity-Schutz-Dioden und Freilaufdioden verwendet. Sie wird auch als Oberflächenbarriere-Diode, Heiß-Elektronen-Diode oder Heiß-Träger-Diode bezeichnet. Sie unterscheidet sich etwas von normalen PN-Übergangs-Dioden, wo Metall wie Platin oder Aluminium anstelle von P-Typ-Halbleiter verwendet wird. In der Schottky-Diode sind Halbleiter und Metall verbunden und bilden einen Metall-Halbleiter-Übergang, wo die Halbleiter-Seite als Kathode und die Metall-Seite als Anode fungiert. Wenn ein Metall-Halbleiter-Übergang zwischen Metall und Halbleitern gebildet wird, resultiert daraus eine Sperrschicht, auch als Schottky-Barriere bezeichnet.

Schottky-Dioden weisen geringe gespeicherte Ladung auf und zeigen geringere Leistungsverluste und höhere Effizienz in mechanischen Eigenschaften. Sie werden so hergestellt, dass alle äußeren Oberflächen korrosionsbeständig sind und Anschlüsse leicht lötbar sind, wo Strom nur in eine Richtung fließt und den Strom in der anderen Richtung stoppt. Der Spannungsabfall, der in dieser Diode auftritt, ist niedriger als bei PN-Übergangs-Dioden. Wenn Spannung an die Diodenanschlüsse angelegt wird, fließt Strom, was zu einem kleinen Spannungsabfall über den Anschlüssen führt. Der niedrigere Spannungsabfall resultiert in höherer Effizienz und höherer Schaltgeschwindigkeit.

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

12V – 5V Schaltplan:

Der obige Schaltplan zeigt den Schaltkreis zusammen mit allen berechneten Werten für unseren erforderlichen Betrieb.

Funktionsweise der 12V auf 5V Schaltung:

Verbinden Sie den Schaltkreis wie im Schaltplan ordnungsgemäß. Um diesen Chip zu versorgen, verbinden wir +V mit Pin 6 und Pin 4 mit Masse. Gleichzeitig verbinden wir einen Kondensator C_IN, um überschüssiges Rauschen von der Stromversorgung zu filtern. Pin 3 ist mit C_T verbunden, was die Schaltgeschwindigkeit des Schaltkreises bestimmt. Pin 5 ist der invertierende Eingang des Komparators. Die Spannung des nicht-invertierenden Eingangs beträgt 1,25 V vom internen Spannungsregler. An den invertierenden Eingang legen wir ein Widerstandsnetzwerk aus zwei Widerständen. Diese bestimmen die Verstärkung des Op-Amp-Komparators. Auf diese Weise bauen wir einen Buck Converter, der unseren Eingang von 12 V DC auf 5 V DC absenkt.

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Anwendungen:

Es gibt viele Anwendungen in unserem täglichen Leben, die nur Niederspannungseingänge benötigen. Sie benötigen auch ein geregelter 5 V für Sicherheit. Zum Beispiel Batterieladegeräte, Wi-Fi-Module, Arduino-Module usw. Der obige Schaltkreis erfüllt die Eingangsanforderungen all der oben genannten und vieler weiterer Anwendungen.

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