Conception efficace d'un convertisseur abaisseur 12V vers 5V (Buck Converter)

Circuit convertisseur 12V vers 5V – Conversion DC-DC abaisseur

Nous n'avons pas toujours une batterie 5V facilement disponible, et parfois nous avons besoin d'une tension plus élevée et d'une tension plus basse en même temps pour alimenter différentes parties du même circuit. Pour résoudre ce problème, nous utilisons une tension plus élevée, qui est dans notre cas une batterie 12V comme source d'alimentation principale et abaissons cette tension pour obtenir une tension plus basse, disons 5V, là où c'est requis. Pour y parvenir, un circuit CONVERTISSEUR ABaisseur (BUCK CONVERTER) est utilisé dans de nombreux gadgets et applications électroniques qui abaissent la tension pour correspondre aux besoins de la charge.

D'abord, laissez-moi vous parler des convertisseurs. En gros, il y a trois types de convertisseurs : le premier étant le convertisseur abaisseur (Buck converter) qui abaisse la tension depuis une tension source plus élevée. Le second, le convertisseur élévateur (Boost converter), qui élève la tension depuis une tension source plus basse. En plus, il y a un autre convertisseur qui est une combinaison des deux arrangés sous quelque forme, le plus populaire est le convertisseur abaisseur-élévateur (Buck-Boost converter) qui abaisse d'abord la tension puis l'élève à la valeur requise. J'essaierai d'expliquer chacun des convertisseurs mentionnés ci-dessus en quelque détail pour que la compréhension du circuit à venir ait plus de sens.

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Qu'est-ce qu'un convertisseur abaisseur (Buck Converter) ?

Un convertisseur abaisseur (aussi connu comme convertisseur step-down) est un convertisseur DC-DC, qui abaisse la tension de l'entrée vers sa sortie. Le convertisseur abaisseur atteint sa sortie en utilisant des dispositifs de commutation semi-conducteurs, qui sont généralement des diodes et des transistors arrangés dans un ordre particulier et chacun commuté pendant certains temps pour finalement donner la sortie requise. Les convertisseurs abaisseurs peuvent être hautement efficaces, parfois souvent jusqu'à 90%.

Le circuit de base du convertisseur abaisseur consiste en le transistor de commutation, ensemble avec le circuit de roue libre. Quand le transistor est en état ON, le courant circule à travers la charge via l'inductance. L'inductance s'oppose aux changements dans le sens du flux de courant, stockant aussi de l'énergie dans le processus. La diode, qui est connectée en parallèle à la charge, n'est maintenant pas opérationnelle car elle est en polarisation inverse.

Le courant circulant dans le circuit charge aussi le condensateur. Maintenant, quand le transistor est éteint (OFF), le condensateur chargé et l'inductance appliquent une tension à travers la charge à cause de la f.é.m. de retour, maintenant qu'il n'y a pas de source de tension dans le circuit. L'énergie stockée dans l'inductance est suffisante pour au moins une partie du temps où l'interrupteur est ouvert. Si les temps pendant lesquels l'interrupteur est maintenu ON et OFF changent, cela, à son tour, change la tension de sortie CC entre 0V et V_in.

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Le diagramme ci-dessous montre une opération simple de convertisseur abaisseur.

Qu'est-ce qu'un convertisseur élévateur (Boost Converter) ?

Similaire à un convertisseur abaisseur, un convertisseur élévateur (aussi connu comme convertisseur step-up) est aussi une classe de convertisseurs d'alimentation à mode de commutation. Mais l'opération d'un convertisseur élévateur est exactement l'opposée de celle d'un convertisseur abaisseur. Le convertisseur abaisseur abaisse la tension d'une valeur d'alimentation plus élevée à la valeur requise, alors que le convertisseur élévateur élève la tension d'une valeur d'alimentation plus basse.

Le principe de base d'un convertisseur élévateur consiste en deux états distincts. Dans le premier état, l'état ON, c'est quand l'inductance connectée du côté source est chargée quand l'interrupteur est ON. Ensuite, quand l'interrupteur est OFF, le seul chemin offert au courant de l'inductance pour circuler est la diode de retour (flyback), le condensateur et la charge. Cela résulte en le transfert de l'énergie qui était accumulée dans l'état ON dans le condensateur. Si le cyclage de l'interrupteur est assez rapide, alors l'inductance ne se déchargera pas complètement entre les états de charge. Donc, la tension à travers la charge sera toujours supérieure à celle de la source d'entrée quand l'interrupteur est OFF.

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Le diagramme ci-dessous montre une opération simple de convertisseur élévateur.

Convertisseur Abaisseur-Élévateur (Buck-Boost Converter)

Le convertisseur abaisseur-élévateur est un type de convertisseur DC-DC. Il a une magnitude de tension de sortie supérieure ou inférieure à sa magnitude de tension d'entrée.

Le convertisseur abaisseur-élévateur inverseur a un principe très basique. Pendant l'état ON, l'opération est similaire à celle d'un convertisseur élévateur, où l'inductance stocke de l'énergie. Un condensateur fournit de l'énergie à la charge pendant ce temps est connecté à travers la charge. Pendant l'état OFF, l'inductance est connectée à la charge de sortie et au condensateur, donc l'énergie stockée dans l'inductance est donnée au condensateur et à la charge. Le condensateur se charge pendant ce temps.

Un diagramme simple ci-dessous montre le principe de fonctionnement d'un convertisseur abaisseur-élévateur.

Maintenant, il y a de nombreuses façons d'atteindre notre CONVERTISSEUR ABaisseur requis, mais nous utilisons le régulateur de commutation le plus populaire disponible dans ce segment, en utilisant le CI MC34063. L'autre méthode populaire est par un circuit de MOSFETs commutés selon un motif fixe.

Composants requis

1. CI régulateur de commutation MC34063
2. Diode Schottky 1N5819
3. Résistances 2k
4. Résistances 6,2k
5. Résistances 26 Ohms
6. Inductance 62 µH, 1,5A
7. Condensateurs 100µF, 25V et 359µF, 25V
8. Condensateurs céramiques disque 428pF
9. Alimentation 12V avec nominal 1,5A
10. Fils de connexion

CI MC34063

Le MC34063 est un circuit de contrôle monolithique ayant toutes les fonctions requises pour la construction de convertisseurs DC-DC. Il se compose de multiples fonctions, qui sont comparateur, oscillateur, commutateur de sortie à courant élevé et limite de courant de crête active. Le MC34063 est disponible en boîtiers DIP, SOIC et SON. Il y a huit broches dans chacun. Le tableau est donné ci-dessous.

Brochage MC34063
N° Broche	Nom de la Broche	Description
1	Collecteur du commutateur	Entrée collecteur du commutateur interne à courant élevé
2	Émetteur du commutateur	Entrée émetteur du commutateur interne à courant élevé
3	Condensateur de temporisation	Attacher un condensateur de temps pour une fréquence de commutation variable
4	Masse (GND)	Masse (GND)
5	Entrée inverseuse du comparateur	Attacher un réseau diviseur de résistance pour construire une boucle de rétroaction
6	Tension (Vcc)	Tension d'alimentation logique
7	Ipk	Entrée de détection de limite de courant
8	Collecteur du driver	Entrée collecteur du transistor driver Darlington

Quelques caractéristiques du CI MC34063 sont les suivantes :

1. Référence compensée en température
2. Circuit de limite de courant
3. Oscillateur à cycle de service contrôlé avec sortie driver à courant élevé actif
4. Accepte 3,0V à 40,0V CC
5. Peut être opéré à 100kHz fréquence de commutation avec une tolérance de 2%
6. Courant de veille très bas
7. Tension de sortie ajustable

Aussi, ce CI est largement disponible et il est beaucoup plus rentable que les autres CI disponibles dans ce segment. C'est pourquoi nous allons utiliser ce CI pour notre circuit.

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Le brochage du MC34063 est comme donné ci-dessous.

Il y a de nombreuses applications associées au MC34063, quelques-unes d'entre elles sont : Interface Homme-Machine (HMI), Dispositifs portables, Mesure et test, Analyseurs de gaz et de sang, Informatique, Télécommunications, Solutions câblées, etc.

1N5819

La 1N5819 est une diode de puissance métal-silicium, aussi appelée Redresseur Schottky, qui applique le Principe de Barrière Schottky. Elle est principalement utilisée comme redresseurs dans les onduleurs basse tension haute fréquence, diodes de protection de polarité, et diodes de roue libre. Elle est aussi appelée diode à barrière de surface, diode à électrons chauds ou diode à porteurs chauds. Elle est un peu différente des diodes à jonction PN normales où du métal comme le platine ou l'aluminium est utilisé à la place du semi-conducteur de type P. Dans la diode Schottky, le semi-conducteur et le métal sont joints, formant une jonction métal-semi-conducteur où le côté semi-conducteur agit comme une cathode et le côté métal agit comme une anode. Quand la jonction métal-semi-conducteur se forme entre le métal et les semi-conducteurs, ils résultent en une couche d'appauvrissement aussi appelée barrière Schottky.

La Schottky vient avec une charge stockée faible et présente des caractéristiques mécaniques de perte de puissance plus faible et d'efficacité plus élevée. Elle est fabriquée de telle façon que toutes les surfaces externes sont résistantes à la corrosion et les bornes sont facilement soudables où le courant circule dans une seule direction et arrête le courant circulant dans l'autre direction. La chute de tension qui se produit dans cette diode est plus faible que les diodes à jonction PN. Quand une tension est appliquée aux bornes de la diode, le courant commence à circuler ce qui résulte en une petite chute de tension aux bornes. La chute de tension plus faible résulte en une efficacité plus élevée et une vitesse de commutation plus élevée.

Le diagramme schématique ci-dessus montre le symbole électrique pour une diode Schottky.

Schéma de circuit 12V – 5V

Le schéma de circuit ci-dessus montre le circuit avec toutes les valeurs calculées pour notre opération requise.

Fonctionnement du circuit 12V vers 5V

Connectez le circuit comme donné dans le schéma de circuit correctement. D'abord, pour alimenter cette puce, nous connectons +V à la broche 6 et la broche 4 à la masse. En même temps, nous connectons un condensateur C_IN pour filtrer le bruit excessif de l'alimentation. La broche 3 est connectée à C_T qui détermine la vitesse de commutation du circuit. La broche 5 est la borne inverseuse du comparateur. La tension de la borne non-inverseuse est de 1,25 V du régulateur de tension interne. À la borne inverseuse, nous plaçons un réseau de résistances composé de deux résistances. Ceux-ci décident du gain du comparateur amplificateur opérationnel. De cette façon, nous faisons un convertisseur abaisseur qui abaisse maintenant notre entrée de 12V CC à 5V CC.

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Applications

Il y a de nombreuses applications dans notre vie quotidienne, qui ne prennent que des entrées basse tension. Elles ont aussi besoin d'un 5V régulé pour la sécurité. Par exemple, chargeurs de batterie, modules Wi-Fi, modules Arduino, etc. Le circuit ci-dessus répond aux besoins d'entrée de tous les éléments mentionnés ci-dessus et bien d'autres applications.

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