DIY Buck Converter Tutorial: Bouw een efficiënte schakelende voeding

Wat is een Buck Converter?

Traditionele lineaire voedingen zijn niet zo efficiënt. Een buck converter is een betere optie: het verlaagt de invoerspanning effectief. Het heeft minimaal twee halfgeleiders (diode en transistor). De diode kan vervangen worden door een tweede transistor voor synchrone gelijkrichting.

Buck converters zijn uitstekend in het omzetten van een computers voedingsspanning naar lagere spanningen voor CPU, USB, DRAM, etc.

In dit artikel: wat is het, hoe werkt het, en hoe bouw je er een.

Een buck converter is een DC-naar-DC (stap-down) omzetter. De primaire functie: spanning van de bron (in) verlagen naar de last (uit). Met minimaal twee halfgeleiders behoort het tot de klasse SMPS (geschakelde voeding).

Geschakelde voeding (SMPS)

Naast de halfgeleiders heeft het minstens één energieopslagelement: spoel, condensator, of combinatie. Om spanningsschommelingen (ripple) te verminderen, voeg je filters toe (condensatoren, soms gecombineerd met spoelen) aan in- en uitgang.

Buck converters zijn >90% efficiënt als DC-DC omzetters, superieur aan lineaire voedingen. Ideaal voor zonne-opladers of computers.

Hoe werkt een Buck Converter?

De werking hangt af van de geleidingsstaat van de MOSFET (aan/uit).

• Uit-stand (schakelaar open): stroom = 0.
• Aan-stand (schakelaar dicht): stroom stijgt. De spoel genereert een tegenovergestelde spanning over zijn terminalen als reactie op de stroomverandering.

De invoerspanning daalt, tegengaat de bronspanning en verlaagt de nettospanning over de last. Met de tijd daalt de spanning over de spoel en de stroomveranderingsnelheid, waardoor de spanning over de last stijgt. De spoel slaat energie op. Als de schakelaar open gaat terwijl de stroom nog verandert, ziet de spoel een spanningsval. De bronspanning wordt dan hoger dan de lastspanning.

Als de schakelaar weer uitgaat, verlaat de bronspanning het circuit

De stroom daalt. De spanning over de spoel neemt af door dalende stroom. De spoel wordt een stroombron.

De buck converter werkt in twee modi: continu en discontinue.

• Continue modus: De stroom door de spoel wordt nooit nul tijdens de commutatiecyclus. Bij gesloten schakelaar: V_L = V_i – V_o. Bij constante spanningsval stijgt de stroom lineair. Bij open schakelaar: diode geleidt in forward bias, stroom daalt, V_L = -V_o. Opgeslagen energie in spoel: E = ½ L I_L². Energie daalt in uit-stand, stijgt in aan-stand. De spoel transporteert energie van in- naar uitgang.
• Discontinue modus: Bij lichte last valt de stroom door de spoel naar nul. De uitgangscondensator ontlaadt elke cyclus → hogere schakelverliezen.

Hoe maak je een simpele Buck Converter?

Gebruik een schakelingsschema (zie hieronder).

Benodigdheden

• Schottky diode

Schottky Diode Sectie

• Potentiometer

Potentiometer

• 12V invoer batterij

12v loodaccu

• Enkel printplaatje
• Weerstanden (10kΩ, 100Ω)

10k Weerstand

• Arduino UNO

Arduino UNO bord

• IRF540N MOSFET
• Motor (last)
• Condensator (100µF)

100µF Condensatoren

• Spoel (100µH)

Kleine 100µH spoelen

Stappen

1. Verbind de uiteinden van de potentiometer met de 5V voedingsrail pin en de grondpin van de Arduino UNO; de wiper naar analoge pin A1.
2. Verbinden PWM pin 6 van Arduino met de gate van de MOSFET.
3. Plus van batterij → drain van MOSFET. Min van batterij → p-terminal van Schottky diode.
4. Motor van p-terminal van Schottky diode in serie met spoel → source van MOSFET.
5. N-terminal van Schottky diode → source van MOSFET.
6. Plaats 47µF condensator parallel over de motor.
7. Verbind de grondpin van Arduino met de source van de MOSFET.

De MOSFET schakelt de invoerspanning met hoge frequentie, met lage warmteproductie bij hoge stroom. De spoel beschermt de MOSFET tegen hoge spanningspieken (kenmerkend voor dit project).

De Arduino regelt de hoge schakelsnelheid van de MOSFET. De potentiometer geeft een analoog waarde aan de Arduino gebaseerd op de PWM-spanning die de gate ontvangt van PWM pin 6. Hiermee regel je de uitgangsspanning over de last.

De Schottky diode sluit de lus voor stroomdoorloop. Zonder diode zou de spoel bij uitschakelen van de MOSFET zijn energie aan de motor geven, maar de lus zou onvolledig zijn → geen effect op last.

Toepassingen van de Buck Converter

Batterijladers

Batterij zonne-lader

Mensen willen snelladen zonder oververhitting. De buck converter zit in mobiele apparaten (micro-USB poort).

Audio versterkers

Vermogenscontrole en audioversterkers

De vermogenstrap van een Class-D versterker is een buck converter.

Quadcopters

DJI Phantom Quadcopter

Conclusie

De DIY buck converter is het ideale project voor een efficiënte DC-DC omzetter die hoge spanning naar lage spanning verandert. Nuttig voor consumentenelektronica die de zakspanning van batterijen onder last moet stabiliseren.

Wat vind je van buck converters? Ga je het project aan? Vragen? Neem contact op.