Convertitore buck fai da te-Se utilizzate spesso un alimentatore tradizionale a corrente di uscita lineare, converrete che non è molto efficiente. In questo caso, un convertitore buck è un’opzione migliore per la potenza di uscita, in quanto abbassa efficacemente la tensione di ingresso. Ma c’è di più in un convertitore buck fai da te?
Sì, c’è dell’altro in questo dispositivo. Innanzitutto, ha almeno due semiconduttori. I semiconduttori agiscono come un diodo e un resistore. Ma è possibile sostituire il diodo con un secondo transistor, utile per il raddrizzamento simultaneo.
In secondo luogo, il convertitore buck è molto abile nell’eseguire compiti come la modifica della tensione di alimentazione di un computer a tensioni più basse di cui hanno bisogno dispositivi come la CPU, l’USB e la DRAM.
Detto questo, in questo articolo scoprirete di più sul convertitore buck. In sostanza, vi illustreremo cos’è, come funziona e come potete realizzarne uno.
Andiamo subito al sodo!
Che cos’è un convertitore buck?
Prima abbiamo parlato brevemente del convertitore buck. Ma qui parleremo diffusamente dell’argomento. Detto questo, un convertitore buck è più simile a un convertitore di potenza DC-to-DC o step-down. Inoltre, la sua funzione principale è quella di ridurre la tensione dall’alimentazione (ingresso) al carico (uscita).
Poiché il dispositivo ha almeno due semiconduttori, come abbiamo detto, appartiene alla classe degli SMPS (switched-mode power supply).
Alimentatore a commutazione
Fonte:
Wikimedia Commons
Inoltre, oltre ai due semiconduttori, il dispositivo è dotato di almeno un elemento di accumulo di energia.
L’elemento di accumulo di energia in questione è solitamente un induttore, un condensatore o una combinazione. Pertanto, se si intende ridurre le ondulazioni di tensione dei transistor di potenza, è fondamentale assicurarsi che il convertitore buck disponga di filtri costituiti da semplici condensatori medi (o talvolta in combinazione con induttori) aggiunti al filtro sul lato dell’alimentazione e del carico.
Non sorprende quindi che i convertitori buck abbiano un’ottima efficienza energetica come convertitori CC-CC rispetto agli alimentatori lineari. Inoltre, vale la pena ricordare che questo dispositivo ha un’efficienza superiore al 90%, il che ne aumenta l’efficacia per compiti come la modifica della tensione di alimentazione di un caricatore solare o di un computer.
Come funziona un convertitore buck?
Quando si parla di convertitori bucking, è fondamentale notare che il funzionamento del circuito del dispositivo è soggetto allo stato di conduzione del MOSFET. In altre parole, il convertitore buck funziona in base al suo stato (spento o acceso).
Pertanto, la corrente nel circuito è pari a zero se il dispositivo è in stato di riposo o se l’interruttore è aperto. Ma se l’interruttore è chiuso o in stato on, la corrente aumenta. Inoltre, l’induttore creerà una tensione opposta sui suoi terminali, in reazione alla variazione di corrente.
Di conseguenza, il campo di tensione d’ingresso si riduce, opponendosi alla tensione della sorgente e diminuendo la tensione netta sul carico.
Con il tempo, la tensione attraverso l’induttore e la velocità di variazione della corrente si ridurranno. Di conseguenza, la tensione sul carico aumenterà. Mentre ciò accade, l’induttore immagazzina energia. Pertanto, se l’interruttore si apre mentre la corrente sta ancora cambiando, l’induttore subirà una caduta di tensione. Inoltre, la tensione di ingresso del filtro sarà superiore alla tensione sul carico.
Se l’interruttore passa nuovamente allo stato di riposo, la sorgente di tensione esce dal circuito.
Il che provoca una diminuzione della corrente. In questo caso, la tensione sull’induttore si riduce a causa della diminuzione della corrente. L’induttore diventa quindi una sorgente di corrente.
Detto questo, il circuito del convertitore buck funziona in due modalità diverse: continua e discontinua. La modalità continua si verifica quando il valore della corrente che attraversa l’induttore non scende mai a zero durante il ciclo di commutazione.
Di conseguenza, quando l’interruttore si chiude, la tensione del chip buck attraverso l’induttore è VL = Vi – Vo. Finché la caduta di tensione è quasi costante, la corrente attraverso l’induttore aumenta linearmente.
Inoltre, quando l’interruttore si apre, il diodo è polarizzato in avanti. Quindi, la corrente diminuisce e la tensione attraverso l’induttore è VL = -Vo:
E = ½ LI2L
Inoltre, l’energia dell’induttore diminuisce durante lo stato di riposo e aumenta durante lo stato di accensione. Inoltre, l’induttore L è utile per condurre l’energia dall’ingresso all’uscita del convertitore. La modalità discontinua, invece, si verifica quando il carico richiede un’energia molto ridotta.
Pertanto, la corrente che attraversa l’induttore si riduce a zero. In questo caso, il condensatore di uscita si scarica a ogni ciclo, causando maggiori perdite di commutazione.
Come si realizza un semplice convertitore buck?
Prima di realizzare un convertitore buck semplice, è fondamentale fare riferimento a uno schema elettrico. Potete quindi utilizzare quello qui riportato.
Elenco degli elementi necessari
Dildo Schottky
Sezione del diodo Schottky
Fonte:
Wikimedia Commons
Potenziometro
Potenziometro
Fonte:
Wikimedia Commons
Batteria d’ingresso da 12 V
1
Batteria al piombo da 2v
Pannello singolo
Resistore (10k,100ohm)
Resistore 10K
Arduino UNO
Scheda Arduino UDO
Fonte:
Wikimedia Commons
IRF540N
Motore (carico)
Condensatore (100uf)
Condensatori da 100uf
Induttore (100Uh)
Piccole induttanze da 100uh
Il convertitore buck può essere realizzato con i seguenti passaggi:
Lo scopo dell’utilizzo del MOSFET è quello di modificare la tensione di ingresso ad alta frequenza. Inoltre, offre una minore dissipazione di calore con una corrente elevata. Inoltre, l’induttore svolge il ruolo di proteggere il MOSFET da picchi di tensione elevati (tipici di questo progetto elettronico).
Arduino è utile per l’elevata velocità di commutazione del MOSFET. La funzione del diodo Schottky è quella di completare il circuito per il flusso di corrente. Quindi, se non c’è il diodo Schottky quando si spegne il MOSFET, l’induttore rilascerà la sua energia al motore. Quindi, avrà un effetto minimo o nullo sul carico a causa dell’anello incompleto.
Il potenziometro è un altro componente fondamentale che offre un valore analogico ad Arduino in base alla tensione PWM che il terminale di gate del MOSFET riceve dal pin PWM 6 di Arduino. Con questo valore, si controlla la tensione di uscita sul carico.
Applicazioni del convertitore buck
Il convertitore buck è molto utile per alcune applicazioni comuni come:
Caricabatterie
Caricabatterie solari
La maggior parte delle persone desidera che la batteria portatile o lo smartphone si ricarichino rapidamente senza riscaldare i dispositivi. Il convertitore buck è quindi la risposta e di solito si trova all’interno del dispositivo mobile, poiché la porta di ricarica è una porta micro USB.
Amplificatori audio di potenza
Controllo di potenza e amplificatori audio
Lo stadio di potenza di un amplificatore audio di potenza è un convertitore buck. Un buon esempio di questo dispositivo che utilizza il convertitore buck sono gli amplificatori di classe D.
Quadcopter
Quadcopter DJI Phantom
Le batterie al litio a più celle alimentano i quadcopter. La configurazione del pacco è solitamente da due a sei celle in serie. Inoltre, i pacchi batteria producono un intervallo di tensione di circa 6V -25V. Pertanto, un convertitore buck aiuta a ridurre la tensione della batteria a circa 5 V o 3,3 V da utilizzare per il controller di volo del dispositivo.
È possibile trovare il convertitore Buck sul layout PCB di distribuzione dell’alimentazione che dirige l’alimentazione della batteria o i controller di velocità elettronica.
Linea di Fondo
Il convertitore buck fai-da-te è il progetto ideale su cui salire se stai cercando un convertitore DC-DC che cambia in modo efficiente un’alta tensione a una bassa tensione. Inoltre, il dispositivo è utile per l’elettronica di consumo che richiede la stabilizzazione della tensione di calo della batteria sotto carico.
Cosa ne pensi dei convertitori Buck? Hai intenzione di provare il progetto? O hai domande? Non esitate a contattarci.
