DIY Abwärtswandler (Buck Converter) Tutorial: Effizientes Schaltnetzteil bauen

Wenn Sie häufig herkömmliche lineare Ausgangsstrom-Netzteile verwenden, werden Sie zustimmen, dass sie nicht so effizient sind. In diesem Fall ist ein Abwärtswandler (Buck Converter) eine bessere Ausgangsleistungsoption, da er die Eingangsspannung effektiv senkt. Aber gibt es mehr zu einem DIY Buck Converter?

Ja, es gibt mehr an dem Gerät. Erstens hat er mindestens zwei Halbleiter. Und die Halbleiter verhalten sich wie eine Diode und ein Widerstand. Aber Sie können die Diode durch einen zweiten Transistor ersetzen – was für die synchrone Gleichrichtung nützlich ist.

Zweitens ist der Buck Converter hochprofessionell in Aufgaben wie der Umwandlung der Netzteil-Ausgangsspannung eines Computers in niedrigere Spannungen, die Geräte wie CPU, USB und DRAM benötigen.

Das gesagt, werden Sie in diesem Artikel mehr über den Buck Converter erfahren. Im Wesentlichen werden wir hervorheben, was er ist, wie er funktioniert und wie Sie einen bauen können.

Legen wir los!

Was ist ein Buck Converter?

Zuvor haben wir kurz über den Buck Converter gesprochen. Aber wir werden hier ausführlich über das Thema sprechen. Ein Buck Converter ist eher ein DC-zu-DC- oder Abwärtswandler. Seine Hauptfunktion ist es, die Spannung von der Versorgung (Eingang) zur Last (Ausgang) zu reduzieren.

Da das Gerät mindestens zwei Halbleiter hat, wie wir erwähnt haben, gehört es zu einer Klasse von SMPS (Schaltnetzteilen).

Schaltnetzteil

Zusätzlich zu den zwei Halbleitern, die das Gerät hat, verfügt es über mindestens ein Energiespeicherelement.

Das Energiespeicherelement ist meist entweder eine Spule, ein Kondensator oder eine Kombination. Wenn Sie also planen, Spannungsrippeln an Leistungstransistoren zu reduzieren, ist es entscheidend, sicherzustellen, dass der Buck Converter Filter aus einfachen durchschnittlichen Kondensatoren (oder in Kombination mit Spulen manchmal) an der Versorgungs- und Lastseite hat.

Daher ist es keine Überraschung, dass Buck Converter als DC-DC-Wandler einen hervorragenden Job bei der Bereitstellung von Energieeffizienz im Vergleich zu linearen Netzteilen leisten. Zudem ist es erwähnenswert, dass dieses Gerät über 90% hocheffizient ist – was ihre Effektivität für Aufgaben wie das Ändern eines Solarladers oder der Großspannungsversorgung eines Computers steigert.

Wie funktioniert ein Buck Converter?

Beim Buck Converter ist es entscheidend zu beachten, dass der Schaltkreisbetrieb dem Leitungszustand des MOSFET unterliegt. Mit anderen Worten: Der Buck Converter funktioniert basierend auf seinem Zustand (aus oder an).

Der Strom in der Schaltung ist null – wenn das Gerät im Aus-Zustand ist oder der Schalter offen ist. Wenn der Schalter jedoch geschlossen ist oder im Ein-Zustand, wird der Strom zunehmen. Auch die Spule wird eine gegenspannung an ihren Anschlüssen erzeugen – als Reaktion auf die Stromänderung.

Als Ergebnis wird der Eingangsspannungsbereich abfallen, was der Quellspannung entgegenwirkt und die Nettospannung über der Last verringert.

Mit der Zeit werden die Spannung über der Spule und die Änderungsrate des Stroms abnehmen. Daher wird die Spannung an der Last zunehmen. Während dies geschieht, speichert die Spule Energie. Wenn der Schalter sich öffnet, während der Strom noch wechselt, wird die Spule einen Spannungsabfall erfahren. Auch die Eingangsspannungsquelle wird höher sein als die Spannung an der Last.

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

Was eine Stromabnahme verursacht. Wenn dies geschieht, wird es eine verringerte Spannung über der Spule als Folge des abnehmenden Stroms geben. Dann wird die Spule zu einer Stromquelle.

Das gesagt, arbeitet der Buck Converter-Schaltkreis in zwei verschiedenen Modi: kontinuierlich und diskontinuierlich. Der kontinuierliche Modus tritt auf, wenn der Wert des durch die Spule fließenden Stroms nie auf null fällt während des Kommutationszyklus.

Als Ergebnis ist, wenn der Schalter schließt, die Buck-Chip-Spannung über der Spule V_L = V_i – V_o. Und solange der Spannungsabfall fast konstant ist, wird der Strom durch die Spule linear ansteigen.

Auch wenn der Schalter öffnet, wird die Diode vorwärts gepolt sein. So wird der Strom abnehmen und die Spannung über der Spule wird V_L = -V_o sein. Dann ist die Energie, die die Spule L speichert:

E = ½ L I²_L

Weiterhin nimmt die Energie in der Spule während des Aus-Zustands ab und im Ein-Zustand zu. Zudem ist die Spule 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.

Dadurch fällt der durch die Spule fließende Strom auf null. Wenn dies geschieht, entlädt sich der Ausgangskondensator in jedem Zyklus – was höhere Schaltverluste verursacht.

Wie baut man einen einfachen Buck Converter?

Bevor Sie einen einfachen Buck Converter bauen, ist es entscheidend, einen Schaltplan zu Rate zu ziehen. Sie können den hier verwenden.

Liste der benötigten Dinge

Schottky-Diode

Schottky-Dioden-Abschnitt

Potentiometer

Potentiometer

12V Eingangsbatterie

12V Blei-Batterie

Einzelne Platine

Widerstand (10k, 100 Ohm)

10k Widerstand

Arduino UNO

Arduino UNO Board

IRF540N

Motor (Last)

Kondensator (100uF)

100uF Kondensatoren

Spule (100uH)

        Kleine 100uH Spulen

Sie können den Buck Converter in den folgenden Schritten bauen:

1. Beginnen Sie damit, die Endanschlüsse des Potentiometers mit dem 5V-Stromschienen-Pin zu verbinden. Auch sollten Sie Ihren Arduino UNO Masse-Pin entsprechend verbinden, während sein Schleiferanschluss zum analogen Elektronik-Pin A1 geht.
2. PWM-Pin 6 des Arduino mit dem Gate des MOSFET verbinden.
3. Den positiven Pol der Batterie mit dem Drain des MOSFET verbinden. Und dasselbe für den negativen Pol zum P-Anschluss der Schottky-Diode wiederholen.
4. Den Motor vom P-Anschluss der Schottky-Diode in Reihe mit der Spule zum Source-Anschluss des MOSFET verbinden.
5. Den N-Anschluss der Schottky-Diode mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbinden.
6. Quer über den Motor den 47uF Kondensator anschließen.
7. Schließlich können Sie den Masse-Pin des Arduino mit dem Source-Anschluss des MOSFET verbinden.

Der Zweck der Verwendung des MOSFET ist, die Eingangsspannung mit hoher Frequenz zu ändern. Er bietet auch geringere Wärmeableitung bei hohem Strom. Zusätzlich spielt die Spule die Rolle, den MOSFET vor hohen Spannungsspitzen zu schützen (was typisch für dieses Elektronikprojekt ist).

Der Arduino ist nützlich für die hohe Schaltgeschwindigkeit des MOSFET. Und die Funktion der Schottky-Diode ist, den Stromkreis für den Stromfluss zu schließen. Wenn also keine Schottky-Diode vorhanden ist, wenn Sie den MOSFET ausschalten, wird die Spule ihre Energie an den Motor abgeben. Dann hat sie wenig oder keine Auswirkung auf die Last wegen des unvollständigen Kreises.

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

Anwendungen des Buck Converters

Der Buck Converter ist für einige gängige Anwendungen sehr nützlich, wie:

Batterieladegeräte

Solar-Batterieladegerät

Es ist typisch, dass die meisten Menschen wollen, dass ihr tragbarer Akkupack oder Smartphone schnell lädt, ohne die Geräte zu überhitzen. Der Buck Converter ist die Antwort und befindet sich meist im Inneren des Mobilgeräts – da der Ladeanschluss ein Micro-USB-Anschluss ist.

Leistungs-Audioverstärker

Leistungssteuerung und Audioverstärker

Die Leistungsstufe eines Leistungs-Audioverstärkers ist ein Buck Converter. Ein gutes Beispiel für dieses Gerät, das den Buck Converter verwendet, sind Klasse-D-Verstärker.

Quadrocopter

DJI Phantom Quadrocopter

Multizellen-Lithium-Batteriepacks versorgen Quadrocopter. Die Packkonfiguration beträgt meist zwei bis sechs Zellen in Reihe. Zudem erzeugen die Batteriepacks einen Spannungsbereich von etwa 6V - 25V. Ein Buck Converter hilft, die Batteriespannung auf etwa 5V oder 3,3V für den Flugcontroller des Geräts zu reduzieren.

Sie finden den Buck Converter auf dem Leistungsverteiler-PCB-Layout, das die Batterieleistung oder die elektronischen Geschwindigkeitsregler leitet.

Fazit

Der DIY Buck Converter ist das ideale Projekt, wenn Sie einen DC-DC-Wandler suchen, der effizient eine hohe Spannung in eine niedrige Spannung umwandelt. Zudem ist das Gerät nützlich für Unterhaltungselektronik, die die Absackspannung der Batterie unter Last stabilisieren muss.

Was denken Sie über Buck Converter? Planen Sie, das Projekt zu versuchen? Oder haben Sie Fragen? Zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren.