ساخت مبدل باک با میکروکنترلر از طریق کنترلر PID و نمایش ولتاژ و جریان

مبدل باک چیست (Buck Converter) ؟

مبدل باک نوعی مبدل DC-DC کاهنده است. از این مبدل برای کنترل سرعت موتورهای DC استفاده می‌شود.

از آنجا که اساس کار این مبدل‌ها سوئیچینگ (کلیدزنی) است ، ولتاژ خروجی دارای هارمونیک خواهد بود که برای برطرف کردن این مشکل از یک فیلتر پایین‌ گذر متشکل از سلف و خازن استفاده می‌گردد.

همچنین با استفاده از یک دیود، جریان را برای بارهای سلفی یکسان می‌ سازند.

در یک رگولاتور باک مقدار متوسط ولتاژ خروجی Vout کمتر از ولتاژ ورودی Vin است. نمودار مدار یک رگولاتور باک که از یک ماسفت قدرت به عنوان سوئیچ استتفاده می کند در شکل زیر نشان داده شده است.

حالت اول:

حالت اول هنگامی آغاز می شود که ترانزیستور ماسفت P1 در T=0 روشن می شود. جریان ورودی که صعودی می باشد از سلف و فیلتر و مقاومت بار عبور می کند.

حالت دوم:

حالت دوم هنگامی شروع می شود که ترانزیستور ماسفت در لحظه T2 خاموش می شود. به خاطر وجود انرژی ذخیره شده در سلف دیود هرزگرد هدایت می کند و جریان سلف به عبور از خازن و بار و دیود ادامه می دهد. جریان سلف تا زمان روشن شدن دوباره ترانزیستور در سیکل بعدی نزول می کند.

مدارهای معادل برای حالتهای مختلف کاری در  شکل زیر نشان داده شده اند.

شکل موجهای ولتاژ و جریان نشان داده شده برای حالت پیوسته جریان در سلف در شکل زیر آورده شده است.

بسته به فرکانس کلیدزنی و اندوکتانس فیلتر جریان سلف می تواند ناپیوسته نیز باشد. رگولاتور باک ساده و بازده آن بیش از ۹۰%  است و فقط به یک ترانزیستور نیاز دارد.

در این رگولاتور ولتاژ خروجی فقط یک قطبیت داشته و جریان خروجی یکسویه است. همچنین برای جلوگیری از اتصال کوتاه در مسیر دیود به یک مدار محافظ نیاز است.

ساده ترین وآسانترین و در عین حال ابتدایی ترین آرایش مربوط به این نوع است که نقاط ضعف مربوط به خود را داراست.

مزایای این مبدل عبارتند از :

۱) کم بودن تعداد المان های مدار

۲) سادگی مدار کنترل

۳) عدم نیاز به ترانس

۴) توانایی کار در نسبت تبدیل های خیلی کوچک خروجی نسبت به ورودی

۵) محدود سازی کامل جریان اتصال کوتاه توسط مدار کنترل (فقط در مد کنترل جریانی)

معایب این مبدل شامل موارد زیر است :

۱) پالسی بودن جریان ورودی مدار

۲) به منظور تثبیت ولتاژ خروجی لازم است که ولتاژ ورودی ۱ تا ۲ ولت بیشتر از ولتاژ خروجی باشد.

۳) هنگامی که سوئیچ روشن می شود هنوز دیود روشن است که به آسیب دیدگی سوئیچ ودیود منجر  می شود ) لذا باید از یک دیود سریع با زمان بازیابی حداقل استفاده شود).

نکته:

علی رغم تمامی معایب و محدودیت هایی که ذکر شد در شرایط عادی این منابع توانایی تحویل بیش از ۱۹۹ وات توان به خروجی را دارند.

 نحوه عملکرد کیت:

پس از فراهم شدن تغذیه برای برد آموزشی، میکروکنترلر تمامی سخت افزار ها را راه اندازی اولیه و یا Initializing می کند. میکروکنترلر واحد A2D را برای خواندن ولتاژ خروجی مبدل باک راه اندازی می کند.

میکروکنترلر برای کنترل مقدار ولتاژ خروجی از یک  PWM با فرکانس ۱۵ کیلو هرتز استفاده می کند، که توسط تایمر یک تولید می شود.

خروجی تایمر میکروکنترلر Fast PWM می باشد که مقدار دیوتی سایکل (Duty Cycle) آن توسط میکروکنترلر کنترل می شود. خروجی این PWM از طریق یک بافر جریانی به گیت ماسفت منفی IRF9540 متصل می شود و زمان روشن و خاموش بودن ماسفت قدرت از این طریق کنترل می شود.

فرمول ولتاژ خروجی مبدل باک در این پروژه برابر Vo=D.Vin که در آن D برابر دیوتی سایکل می باشد.

و در حالتی که دیوتی سایکل تایمر برابر ۹۵% شود، ولتاژ خروجی برابر ۱۲ ولت می شود.

ولتاژ ورودی این مدار ۱۲ ولت می باشد و ولتاژ خروجی از ۵ تا ۱۲ ولت متغیر می باشد.مقدار ولتاژ خروجی این مبدل باک از طریق مقاومت متغیری که در خروجی فیدبک قرار دارد، تنظیم می شود.

تغذیه واحد میکروکنترلر نیز از ورودی ۱۲ تامین می شود.

تنظیم ولتاژ خروجی:

میکروکنترلر در ابتدای کار مقدار دیوتی سایکل خروجی تایمر را برابر حداقل مقدار قرار می دهد تا در خروجی یک ولتاژ ایجاد شود.

سپس مقدار ولتاژ فیدبک را از طریق یک تقسیم مقاومتی که از خروجی گرفته شده، قرائت می کند.

در این زمان میکروکنترلر اختلاف بین مقدار ولتاژ رفرنس داخلی (که برابر ۲٫۵۶ می باشد) را با ولتاژ فیدبک خروجی، مقایسه نموده و مقدار آن را به یک error نسبت می دهد.

میکروکنترلر متناسب با مقدار error دیوتی سایکل تایمر را تنظیم می کند تا مقدار error همیشه برابر صفر شود.

تنظیم مقدار PWM در این پروژه از طریق روش کنترل PI (تناسبی، انتگرالی) استفاده شده است.

برای مثال اگر مقدار error مثبت باشد، یعنی ولتاژ خروجی از حد مطلوب کمتر شده است. پس میکروکنترلر  موظف است، از طریق کنترل PI مقدار دیوتی سایکل را افزایش تا ولتاژ خروجی کاهش پیدا کند و به مقدار مطلوب برسد.

قابیلت های کیت:

• قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی ۵~۱۲ ولت و جریان ۲ آمپر
• پاسخ سریع به تغیرات ولتاژ خروجی
• نمایش دقیق ولتاژ بار
• نمایش دقیق مقدار جریان بار
• تشخیص اضافه بار خروجی و خاموش کردن مبدل

کاربرد های کیت:

• منبع تغذیه متغیر دقیق با قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی
• کنترل سرعت موتور DC

هزینه کیت:

برای اطلاع از هزینه کیت تماس حاصل فرمائید.

توضیحات:

• سناریوی کیت قابل تغییر بوده و سفارشی سازی کیت ممکن می باشد.
• ارسال کیت به تمامی نقاط کشور.
• به تماس ها و ایمیل ها برای کسب اطلاعات کیت پاسخ داده خواهد شد.

تلفن تماس: ۵۸۸ ۴۰ ۳۰ ۰۹۳۵

آدرس ایمیل: Bagherian.meb@gmail.com

تلگرام: Mehradkit.ir@