Υπολογισμός πηνίων σε μετατροπείς Buck Boost

Σε αυτήν την ανάρτηση προσπαθούμε να κατανοήσουμε τη μέθοδο διαστασιολόγησης ή υπολογισμού επαγωγέων σε κυκλώματα μετατροπέα ενίσχυσης buck, προκειμένου να διασφαλίσουμε τη βέλτιστη απόδοση από αυτές τις συσκευές.

Παίρνουμε το παράδειγμα των τυπολογιών IC 555 boost converter και IC 555 buck, και προσπαθούμε να κατανοήσουμε τις τεχνικές βελτιστοποίησης μέσω εξισώσεων και χειροκίνητων ρυθμίσεων, για την επίτευξη της βέλτιστης απόκρισης εξόδου από αυτά τα σχέδια μετατροπέα.

Σε μερικές από τις προηγούμενες δημοσιεύσεις μου, μελετήσαμε διεξοδικά σχετικά με το πώς λειτουργούν οι μετατροπείς SMPS buck και boost, και συνάψαμε επίσης μερικούς βασικούς τύπους για την αξιολόγηση των σημαντικών παραμέτρων όπως η τάση, το ρεύμα και η επαγωγή σε αυτά τα κυκλώματα μετατροπέα.

Ίσως θελήσετε να συνοψίσετε τις λεπτομέρειες από τα ακόλουθα άρθρα, προτού ξεκινήσετε το παρόν άρθρο που ασχολείται με τις μεθόδους σχεδιασμού επαγωγέα.

Πώς λειτουργούν οι μετατροπείς Boost

Πώς λειτουργούν οι μετατροπείς Buck

Βασικές εξισώσεις Buck Boost

Για τον υπολογισμό των επαγωγέων στα κυκλώματα SMPS boost buck, θα μπορούσαμε να αντλήσουμε τους ακόλουθους δύο τελικούς τύπους για έναν μετατροπέα buck και έναν μετατροπέα ώθησης αντίστοιχα:

Vo = DVin ---------- Για μετατροπέα Buck

Vo = Vin / (1 - D) ---------- Για μετατροπέα ενίσχυσης

Εδώ D = Duty Cycle, δηλαδή = Χρόνος τρανζίστορ ON / ON + OFF χρόνος κάθε κύκλου PWM

Vo = Τάση εξόδου από τον μετατροπέα

Vin = Τάση τροφοδοσίας εισόδου στον μετατροπέα

Από τους παραπάνω παραγόμενους τύπους, μπορούμε να καταλάβουμε ότι οι 3 βασικές παράμετροι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαστασιολόγηση της εξόδου σε ένα κύκλωμα που βασίζεται σε SMPS είναι:

Κύριες παράμετροι που σχετίζονται με τον μετατροπέα Buck Boost

1) Ο κύκλος λειτουργίας

2) Ο χρόνος ON / OFF του τρανζίστορ

3) Και το επίπεδο τάσης εισόδου.

Αυτό σημαίνει ότι με την κατάλληλη ρύθμιση οποιασδήποτε από τις παραπάνω παραμέτρους καθίσταται δυνατή η προσαρμογή της τάσης εξόδου από τον μετατροπέα. Αυτή η ρύθμιση θα μπορούσε να εφαρμοστεί χειροκίνητα ή αυτόματα μέσω ενός αυτορυθμιζόμενου κυκλώματος PWM.

Παρόλο που οι παραπάνω τύποι εξηγούν με σαφήνεια πώς να βελτιστοποιήσετε την τάση εξόδου από έναν μετατροπέα buck ή boost, δεν γνωρίζουμε ακόμα πώς μπορεί να κατασκευαστεί ο επαγωγέας για τη βέλτιστη απόκριση σε αυτά τα κυκλώματα.

Μπορεί να βρείτε πολλές περίτεχνες και ερευνημένες φόρμουλες για την επίλυση αυτού του ζητήματος, ωστόσο κανένας νέος χόμπι ή οποιοσδήποτε ηλεκτρονικός ενθουσιώδης δεν θα ενδιαφερόταν πραγματικά να αγωνιστεί με αυτές τις σύνθετες φόρμουλες για τις απαιτούμενες τιμές, οι οποίες θα μπορούσαν στην πραγματικότητα να έχουν περισσότερες πιθανότητες να παρέχουν εσφαλμένα αποτελέσματα λόγω της πολυπλοκότητας .

Η καλύτερη και πιο αποτελεσματική ιδέα είναι να «υπολογίσουμε» την τιμή επαγωγέα με μια πειραματική ρύθμιση και μέσω κάποιας πρακτικής διαδικασίας δοκιμής και σφάλματος, όπως εξηγείται στις ακόλουθες παραγράφους.

Διαμορφώστε έναν μετατροπέα ενίσχυσης χρησιμοποιώντας το IC 555

Παρακάτω παρουσιάζονται ένα απλό σχέδιο μετατροπέα ώθησης και buck με βάση το IC 555, το οποίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της καλύτερης δυνατής τιμής επαγωγέα για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα μετατροπέα ενίσχυσης SMPS.

Ο επαγωγέας L μπορεί αρχικά να κατασκευάζεται αυθαίρετα.

ο κανόνας του αντίχειρα είναι να χρησιμοποιείται ο αριθμός στροφών ελαφρώς υψηλότερος από την τάση τροφοδοσίας , επομένως, εάν η τάση τροφοδοσίας είναι 12V, ο αριθμός στροφών θα μπορούσε να είναι περίπου 15 στροφές.

1. Πρέπει να τυλίγεται πάνω σε κατάλληλο πυρήνα φερρίτη, που μπορεί να είναι δακτύλιος φερρίτη ή ράβδος φερρίτη, ή πάνω από ένα συγκρότημα πυρήνα ΕΕ.
2. Το πάχος του σύρματος καθορίζεται από την απαίτηση ενισχυτή που αρχικά δεν θα είναι σχετική παράμετρος, επομένως οποιοδήποτε σχετικά λεπτό χαλκό εμαγιέ σύρμα θα λειτουργούσε, μπορεί να είναι περίπου 25 SWG.
3. Αργότερα, σύμφωνα με τις τρέχουσες προδιαγραφές του επιδιωκόμενου σχεδιασμού, θα μπορούσε να προστεθεί περισσότερος αριθμός καλωδίων παράλληλα με τον επαγωγέα κατά την περιέλιξή του, ώστε να είναι συμβατό με την καθορισμένη βαθμολογία αμπέρ.
4. Η διάμετρος του επαγωγέα θα εξαρτηθεί από τη συχνότητα, η υψηλότερη συχνότητα θα επέτρεπε μικρότερες διαμέτρους και το αντίστροφο. Για να είμαστε πιο ακριβείς, η αυτεπαγωγή που προσφέρεται από τον επαγωγέα γίνεται υψηλότερη καθώς αυξάνεται η συχνότητα, επομένως αυτή η παράμετρος θα πρέπει να επιβεβαιωθεί μέσω ξεχωριστής δοκιμής χρησιμοποιώντας την ίδια ρύθμιση IC 555.

Μετατροπέας ενίσχυσης διαγράμματος κυκλώματος

Βελτιστοποίηση των στοιχείων ελέγχου ποτενσιόμετρου

Η παραπάνω ρύθμιση δείχνει ένα βασικό κύκλωμα IC 555 PWM, το οποίο είναι εξοπλισμένο με ξεχωριστά ποτενσιόμετρα για την ενεργοποίηση μιας ρυθμιζόμενης συχνότητας, και ρυθμιζόμενη έξοδος PWM στον πείρο του # 3.

Ο ακροδέκτης # 3 μπορεί να φανεί συνδεδεμένος σε μια τυπική διαμόρφωση μετατροπέα ενίσχυσης χρησιμοποιώντας το τρανζίστορ TIP122 τον επαγωγέα L, τη δίοδο BA159 και έναν πυκνωτή C.

Το τρανζίστορ BC547 εισάγεται για να περιορίσει το ρεύμα σε ολόκληρο το TIP122 έτσι ώστε κατά τη διαδικασία ρύθμισης όταν τα δοχεία να τροποποιούνται, το TIP122 δεν επιτρέπεται ποτέ να διασχίσει το σημείο διακοπής, έτσι το BC547 προστατεύει το TIP122 από υπερβολικό ρεύμα και καθιστά τη διαδικασία ασφαλή και ασφαλή ανόητο για τον χρήστη.

Η τάση εξόδου ή η τάση ενίσχυσης παρακολουθούνται σε C για μέγιστη βέλτιστη απόκριση καθ 'όλη τη διάρκεια της διαδικασίας δοκιμής.

Ο μετατροπέας ενίσχυσης IC 555 θα μπορούσε στη συνέχεια να βελτιστοποιηθεί χειροκίνητα με τα ακόλουθα βήματα:

• Αρχικά, ρυθμίστε το δοχείο PWM για να παράγετε το πιο στενό δυνατό PWM στον ακροδέκτη # 3 και η συχνότητα ρυθμίζεται στα περίπου 20kHz.
• Πάρτε ένα ψηφιακό πολύμετρο σταθερό πάνω από 100 V DC και συνδέστε τα προϊόντα σε C με την κατάλληλη πολικότητα.
• Στη συνέχεια, ρυθμίστε σταδιακά το δοχείο PWM και παρακολουθήστε όσο η τάση στο C συνεχίζει να αυξάνεται. Τη στιγμή που θα βρείτε αυτήν την τάση να πέφτει, επαναφέρετε τη ρύθμιση στην προηγούμενη θέση που απέδωσε την υψηλότερη δυνατή τάση στο δοχείο και διορθώστε αυτήν τη θέση / προεπιλεγμένη θέση ως το βέλτιστο σημείο για τον επιλεγμένο επαγωγέα.
• Μετά από αυτό, τροποποιήστε το δοχείο συχνότητας παρόμοια για περαιτέρω βελτιστοποίηση του επιπέδου τάσης σε C, και ρυθμίστε το για να επιτύχετε το πιο αποτελεσματικό σημείο συχνότητας, για τον επιλεγμένο επαγωγέα.
• Για τον προσδιορισμό του κύκλου λειτουργίας κάποιος θα μπορούσε ενδεχομένως να ελέγξει την αναλογία αντίστασης δοχείου PWM, η οποία θα ήταν ευθέως ανάλογη με την αναλογία χώρου σήματος του κύκλου λειτουργίας εξόδου pin # 3.
• Η τιμή της συχνότητας θα μπορούσε να μάθει μέσω ενός μετρητή συχνότητας ή χρησιμοποιώντας το εύρος συχνοτήτων σε ολόκληρο το δεδομένο DMM εάν έχει τη δυνατότητα, αυτό θα μπορούσε να ελεγχθεί στον ακροδέκτη # 3 του IC.

Οι παράμετροι επαγωγέα σας έχουν πλέον καθοριστεί και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για οποιονδήποτε μετατροπέα ώθησης για την καλύτερη βέλτιστη απόκριση.

Προσδιορισμός ρεύματος για τον πηνίο

Η τρέχουσα προδιαγραφή του επαγωγέα θα μπορούσε να αυξηθεί χρησιμοποιώντας απλά πολλά παράλληλα καλώδια κατά την περιέλιξή του, ας πούμε για παράδειγμα ότι θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε περίπου 5 nos από 26SWG καλώδια παράλληλα για να εξουσιοδοτήσετε τον επαγωγέα να χειρίζεται 5amps ρεύματος. και ούτω καθεξής.

Το επόμενο διάγραμμα δείχνει τη διαδικασία βελτιστοποίησης και υπολογισμού επαγωγέων σε SMPS, για μια εφαρμογή μετατροπής buck.

Μετατροπέας διαγράμματος κυκλώματος

Η ίδια διαδικασία ισχύει και για αυτήν τη ρύθμιση, όπως έγινε και με τον παραπάνω αναφερόμενο σχεδιασμό μετατροπέα ενίσχυσης.

Όπως μπορεί να φανεί, το στάδιο εξόδου έχει πλέον αλλάξει με ένα ρυθμιστή μετατροπής buck, τα τρανζίστορ αντικαθίστανται τώρα με τύπους PNP και οι θέσεις του επαγωγέα, η δίοδος άλλαξε κατάλληλα.

Έτσι, χρησιμοποιώντας τις παραπάνω δύο μεθόδους, ο καθένας μπορεί να προσδιορίσει ή να υπολογίσει επαγωγείς σε κυκλώματα sms boost buck χωρίς να χρησιμοποιεί περίπλοκους και ανέφικτους τύπους.