DIYバックコンバータ – 従来のリニア出力電流の電源をよく使うのであれば、それがあまり効率的でないことに同意していただけると思います。この場合、降圧コンバータは入力電圧を効果的に下げるので、より良い出力電力の選択肢となります。しかし、DIYの降圧コンバータにはもっと多くのことがあるのでしょうか?
はい、デバイスにはまだあります。まず、少なくとも2つの半導体を備えています。そして、この半導体はダイオードと抵抗のような働きをします。しかし、ダイオードを2つ目のトランジスタに置き換えることができます。これは、同時整流に便利です。
第二に、降圧型コンバータは、コンピュータの電源出力電圧を、CPU、USB、DRAMなどのデバイスが必要とする低電圧に変更するようなタスクをこなすのに非常に長けていることです。
とはいえ、この記事では、降圧型コンバータについて詳しく説明します。要するに、それが何であるか、どのように機能するか、そしてどのように作ればよいかを強調するのです。
さっそく始めましょう。
降圧型コンバーターとは何か?
先に、降圧型コンバーターについて簡単に説明しました。しかし、ここではこのトピックについて広範囲にお話しします。とはいえ、降圧型コンバータはどちらかというと直流電力-直流電力変換器、または降圧型電力変換器に近いものです。しかも、その主な機能は、電源(入力)から負荷(出力)までの電圧を下げることです。
少なくとも2つの半導体を搭載しているので、前述したようにSMPS(スイッチトモード電源)の一種に属します。
スイッチング電源
出典
ウィキメディア・コモンズ
また、デバイスが持つ2つの半導体とは別に、少なくとも1つのエネルギー貯蔵素子が付属しています。
問題のエネルギー貯蔵素子は、通常、インダクタ、コンデンサ、またはその組み合わせのいずれかである。したがって、パワートランジスタの電圧リップルを低減するつもりなら、降圧コンバータが単純な平均的コンデンサでできたフィルタ(場合によってはインダクタとの組み合わせ)を供給側と負荷側のフィルタに追加していることを確認することが極めて重要です。
このように、降圧型コンバータはリニア電源に比べ、DC-DCコンバータとしての電力効率に優れているのは当然のことです。さらに、このデバイスは90%以上の高効率であるため、ソーラー充電器やコンピュータのバルク電源電圧の変更などにも有効であることも特筆すべき点である。
降圧型コンバータの仕組み
降圧型コンバータは、MOSFETの導通状態によって回路が動作することが重要です。つまり、降圧コンバータはその状態(オフかオンか)に基づいて動作するのです。
つまり、デバイスがオフ状態であるか、スイッチが開いていれば、回路に流れる電流はゼロになる。しかし、スイッチが閉じていたり、オン状態であれば、電流は増加する。また、インダクタは電流の変化に反応して、端子間に逆電圧を発生させる。
その結果、入力電圧範囲が低下し、ソースの電圧に対抗して、負荷にかかる正味の電圧が減少する。
時間の経過とともに、インダクタにかかる電圧と電流の変化率は減少します。したがって、負荷の電圧は上昇します。この間、インダクタにはエネルギーが蓄積されます。そのため、電流がまだ変化している状態でスイッチが開くと、インダクタに電圧降下が発生します。また、入力フィルターの電圧源は、負荷の電圧よりも高くなります。
スイッチが再びオフ状態になると、電圧源は回路から離れ
それが電流の減少を引き起こす。このとき、電流が減少する結果、インダクタにかかる電圧が減少します。そして、インダクタは電流源となります。
つまり、降圧コンバータ回路は、連続と不連続の2つの異なるモードで動作します。連続モードは、インダクタを通過する電流の値が、整流サイクル全体でゼロになることはない場合に発生します。
その結果、スイッチが閉じると、インダクタ全体のバックチップ電圧はvl = vi – voです。そして、電圧低下がほぼ一定である限り、インダクタを通る電流は線形に上昇します。
また、スイッチが開くと、ダイオードが前方にバイアスされます。したがって、電流は減少し、インダクタの間の電圧はVL = -VOになります。次に、インダクタLストアのエネルギーは次のとおりです。
E =½Li2L
さらに、インダクタのエネルギーはオフ状態で減少し、州内で増加します。さらに、インダクタLは、入力からコンバーターの出力へのエネルギーを導くのに役立ちます。一方、不連続モードは、負荷が非常に小さなエネルギーを必要とするときに起こります。
したがって、インダクタを通過する電流はゼロに落ちます。これが発生すると、出力コンデンサは各サイクルで放電し、より高い切り替え損失を引き起こします。
シンプルなバックコンバーターをどのように作成しますか?
単純なバックコンバーターを作成する前に、回路図を参照することが重要です。したがって、ここでそれを利用することができます。
必要なもののリスト
Schottkyダイオード
Schottkyダイオードセクション
ソース:
ウィキメディアコモンズ
ポテンショメータ
ポテンショメータ
ソース:
ウィキメディアコモンズ
12V入力バッテリー
1
2Vリードバッテリー
単一パネル
抵抗(10k、100ohm)
10k抵抗器
Arduino uno
Arduino UDOボード
ソース:
ウィキメディアコモンズ
IRF540N
モーター(負荷)
コンデンサ(100UF)
100UFコンデンサ
インダクタ(100UH)
小さな100UHインダクタ
次の手順でバックコンバーターを作成できます。
MOSFETを使用する目的は、入力電圧を高周波で変更することです。また、高電流による熱の散逸が少なくなります。さらに、インダクタは、高電圧スパイク(この電子プロジェクトの典型)からMOSFETを保護する役割を果たします。
Arduinoは、MOSFETの高いスイッチング速度に役立ちます。そして、Schottkyダイオードの機能は、電流の流れのループを完了するのを助けることです。したがって、MOSFETをオフにするとSchottkyダイオードがない場合、インダクタはエネルギーをモーターに放出します。その後、不完全なループのため、負荷にほとんどまたはまったく影響を与えません。
ポテンショメータは、ArduinoのPWMピン6からMOSFET端子が受信するPWM電圧に基づいて、Arduinoにアナログ値を提供するもう1つの重要なコンポーネントです。この値では、負荷全体の出力電圧の制御があります。
バックコンバーターのアプリケーション
バックコンバーターは、次のような一般的なアプリケーションに非常に役立ちます。
バッテリー充電器
バッテリーソーラー充電器
ほとんどの人が、デバイスを加熱せずにポータブルバッテリーパックまたはスマートフォンに迅速に充電することを望むことが典型的です。したがって、バックコンバーターは答えであり、通常はモバイルデバイスの内側にあります。充電ポートはマイクロUSBポートであるためです。
パワーオーディオアンプ
パワーコントロールとオーディオアンプ
パワーオーディオアンプのパワーステージは、バックコンバーターです。また、バックコンバーターを使用するこのデバイスの良い例は、クラスDアンプです。
Quadcopters
DJI Phantom Quadcopter
マルチセルリチウムバッテリーパックパワークアッドコプター。また、パック構成は通常、直列に2〜6個のセルです。さらに、バッテリーパックは約6V -25Vの電圧を生成します。したがって、バックコンバーターは、デバイスの飛行コントローラーが使用するためにバッテリー電圧を約5Vまたは3.3Vに減らすのに役立ちます。
バッテリー電源または電子速度コントローラーを指示する配電PCBレイアウトにバックコンバーターを見つけることができます。
結論
DIYバックコンバーターは、高電圧を低電圧に効率的に変更するDC-DCコンバーターを探している場合に、ホップするのに理想的なプロジェクトです。さらに、このデバイスは、負荷の下でバッテリーのたるみ電圧を安定させる必要がある家電に役立ちます。
バックコンバーターについてどう思いますか?プロジェクトを試みる予定ですか?それとも質問がありますか?お気軽にお問い合わせ下さい。