Jak funguje boost měnič? +účinnost

Ke zkratu nedojde protože se včas vypne.

 

 

Nejprve ještě před sepnutím (modrá barva) teče proud přes cívku a zátěž, kondenzátor se nabije. Když má dost, tak se spíná...

 

Červená barva: Náboj z kondenzátoru jde do spotřebiče... A současně energie z cívky nabíjí kondenzátor (červená barva)... Když energie z cívky nestačí, tak se zas přepne...

 

 

Učitel zdůraznil, že velký magnetický obvod se nesmí přesytit, energie se musí nejprve skladovat a pak se musí z magnetického obvodu vydat. To není případ propustného měniče. Pokud odebírám dostatek, tak se obvod nikdy nepřesytí.

Zvlnění a činitel zvlnění

Mě v praxi vůbec nemusí zajímat. Ta vlna při frekvenci v kHz nebo mHz je tak malá, že nějaká vlnka v rozdílu mV mě nezajímá. Toto zvlnění jako vzorec bylo pravděpodobně určeno pro návrháře...

T1 je tuším ta vlna při sepnutí, T2 by mělo být při vypnutí, nebo to je naopak? Tz je součet dvou vln T1 a T2.

Jenže dnešní měniče frekvencí sami mění podle odběru, takže člověk nepotřebuje zvlnění počítat!

A když mám malý poměr Ui a Uo např. 5:3.3V případně 5:3.1V je lepší volit frekvence v kHz než v Mhz? Teď zrovna poslouchám, že při vysokých frekvencích se tranzistor sotva stihne otevřít a už se zas zavírá, což není ideální z hlediska efektivity. Tedy jaká frekvence měniče je ideální pro takovou drobnou úpravu napětí?
Zdroj: https://www.poradte.cz/elektronika/35986-velikost-zvlneni-velikost-kondenzatoru-u-menice.html#8

"To se nedá říct, protože tyto měniče frekvenci samy mění podle odběru."

Účinnost měniče - příklad

Na tomto příkladu v prvním řádku, když napájecí napětí bude 5V a výstupní 3V tak účinnost bude kolem 90%. Se stoupajícím napětím účinnost se zvyšuje. Je to měnič, který má jeden vývod společný se vstupem/výstupem.

 

Jak funguje buck měnič?

Vysvětlete schéma snižujícího měniče, bug converter, které vám popíšu. Baterie DC je vlevo a má dva póly. Plus nahoře, mínus dole. Z plus vede horizontální vedení, na kterém je nejprve spínač, což představuje spínací jednotku. Za spínačem je uzel ke kterému v tomto horním vedení připojena cívka, tedy v sérii s vypínačem, dále za cívkou je uzel a za uzlem je výstupní pól pro připojení vstupu zátěže, zde nakreslen rezistor.

 

Spodní vedení připojené k mínusovému pólu za spínačem baterie propojuje (čtu zleva) diodu, kondenzátor, a výstupní pól s připojeným spotřebičem. Dioda je zapojená ve směru od mínusového polu k plusovému polu. Je vám schéma jasné?

 

LLM

Ano, schéma snižujícího měniče, neboli buck converteru, je poměrně jasné. Zde je rozbor jednotlivých prvků:

1. Baterie DC: Zdroj napájení, s kladným (+) a záporným (-) pólem.

2. Spínač (Switch): Umístěný na horním vedení, jedná se o součást spínací jednotky. Spínač může být tranzistor nebo jiný spínací prvek, který ovládá tok energie v obvodu.

3. Cívka (Inductor): Je zapojena sériově s spínačem a slouží k ukládání energie v magnetickém poli. Když je spínač uzavřen, cívka se nabije, a když je otevřen, energie je uvolněna.

4. Dioda: Zapojená ve směru od záporného pólu baterie k plusovému pólu. Slouží k vytvoření uzavřeného smyčky pro proud během času, aby se umožnilo udržování toku energie v obvodu.

5. Kondenzátor: Slouží k vyhlazení výstupního napětí tím, že udržuje konstantní napětí a eliminuje případné oscilace.

6. Rezistor: Je zde nakreslen jako zátěž nebo zátěžový odpor, což představuje spotřebič nebo nějakou formu zátěže, která je napájena z tohoto měniče.

Celkově vzato, buck converter funguje tak, že přeměňuje vyšší vstupní napětí z baterie na nižší výstupní napětí potřebné pro napájení spotřebiče. To je dosaženo řízením spínání spínače, což umožňuje přenášet energii mezi cívkou a kondenzátorem a poté na zátěž. Díky diodě a kondenzátoru je zajištěno správné chování obvodu a vyhlazení výstupního napětí.

Popis

Ještě upřesním a opravím, že dioda není přimo připojená k plusovému pólu, ale až za spínačem je připojena k plusovému pólu. Dioda je zapojena paralelně s tou cívkou a kondenzátorem. Přičemž mezi cívkou a kondenzátorem je ten výstup do spotřebiče.

 

LLM

Děkuji za upřesnění. Zde je opravený popis schématu:

1. Baterie DC: Zdroj napájení s kladným (+) a záporným (-) pólem.

2. Spínač (Switch): Součást spínací jednotky umístěná na horním vedení. Když je uzavřen, umožňuje tok energie v obvodu.

3. Cívka (Inductor): Je zapojena paralelně s diodou a kondenzátorem. Slouží k ukládání energie v magnetickém poli a spolupracuje s diodou a kondenzátorem při regulaci toku energie v obvodu.

   Přestože je spínač rozevřený, proud teče uzavřeným okruhem, který zahrnuje cívku, kondenzátor a diodu. Když je spínač otevřený, cívka se chová jako zdroj napětí a snaží se udržet proud. Tento proud teče z cívky přes diodu do kondenzátoru a zpět do cívky. Tento cyklus umožňuje udržení toku energie v obvodu, ačkoliv je spínač otevřený.

   Pokud jde o zpětný proud z cívky, ten je kompenzován diodou, která umožňuje cívce uvolňovat energii bez toho, aby se vrátila zpět do zdroje (baterie). Tím se umožňuje udržení toku energie v obvodu, aniž by došlo k návratu energie do zdroje, a to díky směrování diody.

    

4. Dioda: Je zapojena paralelně s cívkou a kondenzátorem a směřuje od spínače k plusovému pólu baterie. Zajišťuje uzavřenou smyčku pro proud během času.

5. Kondenzátor: Je zapojen mezi cívkou a diodou a slouží k vyhlazení výstupního napětí a eliminaci oscilací.

6. Výstupní pól: Připojen mezi cívkou a kondenzátorem, slouží k připojení spotřebiče nebo jiné zátěže.

Tento upravený popis lépe vystihuje umístění diody v obvodu a její funkci v kombinaci s ostatními prvky, zejména s cívkou a kondenzátorem.

Úkol

Nyní popište funkci měniče když by probíhalo střídavě spínání a rozpínání spínače.

ZÁVĚREČNÝ POPIS LLM - ZAHRNUJE POPIS ZPĚTNÉHO SMĚRU PROUDU

Uzavření spínače (ON): Když je spínač uzavřen, baterie napájí cívku a proud začne růst. Během této fáze se energie ukládá do magnetického pole cívky a kondenzátor je vybíjený přes zátěž.

Otevření spínače (OFF): Po uplynutí určité doby se spínač otevře. Když je spínač otevřen, cívka stále generuje proud, ale protože není žádný další zdroj napětí, dojde ke změně polarity na cívce, což vyvolá zpětný chod. Energie z cívky se uvolňuje a proud začne klesat. Kondenzátor začne nyní dodávat energii do zátěže a dioda umožní, aby se proud v obvodu udržel, přičemž se energie uvolňuje z cívky. Během této fáze se energie z magnetického pole cívky přenáší přes diodu na kondenzátor (mírně se nabíjí ze zdola). Energie proudící z cívky do kondenzátoru při zpětném chodu je způsobena velmi malým množstvím náboje, který proudí skrz diodu v nepropustném směru. Tento proces zpětného chodu vytváří malé množství elektrického náboje na kondenzátoru, ale není dostatečné k plnému nabíjení kondenzátoru.

 

a zátěž skrze diodu, která se otevře a umožní proudu cirkulovat v obvodu.

 

Cyklus se opakuje: Poté, co je cívka vybíjena, se cyklus opakuje, a to střídavým uzavřením a otevřením spínače. Tento cyklus umožňuje přenos energie z baterie na zátěž s nižším výstupním napětím.

 

LLM

ŠPATNĚ TO POPISUJE V ROZPORU S TÍM CO ŘÍKÁ UČITEL!

Pokud by probíhalo střídavé spínání a rozpínání spínače v buck měniči, došlo by k cyklickému střídání v obvodu, což ovlivní funkci měniče následovně:

1. Uzavření spínače (ON): Když je spínač uzavřen, baterie napájí cívku a proud začne růst. Během této fáze se energie ukládá do magnetického pole cívky a kondenzátor je vybíjený přes zátěž.

2. Otevření spínače (OFF): (ŠPATNÝ POPIS NEVYSVĚTLUJE SMĚR) Po uplynutí určité doby se spínač otevře. Když je spínač otevřen, cívka stále generuje proud, ale protože není žádný další zdroj napětí, proud začne klesat. Kondenzátor začne nyní dodávat energii do zátěže a dioda umožní, aby se proud v obvodu udržel, přičemž se energie uvolňuje z cívky.

3. Cyklus se opakuje: Poté, co je cívka vybíjena, se cyklus opakuje, a to střídavým uzavřením a otevřením spínače. Tento cyklus umožňuje přenos energie z baterie na zátěž s nižším výstupním napětím.

Tímto střídavým spínáním a rozpínáním spínače se v buck měniči dosahuje regulace výstupního napětí, přičemž je vytvořená nižší hodnota než vstupního napětí z baterie. Díky tomu je možné efektivně napájet spotřebiče, které vyžadují nižší napětí, jako je například elektronické zařízení.

Bod 2 - nepropustnost diody

Proud či náboj přes cívku a diodu v nepropustném směru tedy nemůže téct do baterie, ale chce na druhou stranu kondenzátoru. Ale tam se snad nemůže dostat proud, nebo se tam dostane minimální náboj přes nepropustný směr diody?

 

LLM

ŠPATNĚ TO POPISUJE V ROZPORU CO ŘÍKÁ UČITEL!

Ano, když je spínač otevřený a cívka uvolňuje energii, proud skrze diodu teče v opačném směru, než je běžné zapojení diody v propustném směru. V tomto případě se dioda chová jako nepropustný prvek (například ideální dioda).

Pokud jde o kondenzátor, i když je dioda v nepropustném směru, malé množství náboje může projít kondenzátorem. Tento jev je spojen s tzv. zpětným odvodem nebo zpětným průrazem. Při zpětném průrazu malé množství náboje "propadne" přes diodu a nabije kondenzátor v opačném směru.

Nicméně je důležité poznamenat, že tento zpětný průraz je velmi malý a kondenzátor se neznačně nabije, což není dostatečné k udržení trvalého proudu. Tímto způsobem se kondenzátor postupně vybíjí, zatímco cívka ztrácí svou energii. Nakonec se všechna energie z cívky a kondenzátoru rozptýlí a cyklus se opakuje, když je spínač opět uzavřen.

Takže i když je dioda v nepropustném směru, malé množství náboje může projít kondenzátorem během zpětného průrazu, což umožňuje udržení toku energie v obvodu.

SPRÁVNÝ POPIS SCHÉMATU (DLE INSTRUKTORA)

Po otevření spínače proud z cívky prochází stále ve stejném směru. Jinými slovy si induktor vynutí otevření diody a proud bude procházet diodou.

ŠPATNÝ POPIS OD LLM:

Když je spínač otevřený, cívka stále udržuje proud ve stejném směru. Tento jev je znám jako "zpětný tok" induktivního proudu. Když se spínač otevře, proud v cívce nemůže okamžitě zmizet, takže cívka se snaží udržet tok energie. To vede k vytvoření napěťového špičkového signálu na cívce.

Tato napěťová špička může být dostatečně vysoká k překonání závěrného napětí diody, což umožní průchod proudu diodou. Tímto způsobem se energie z cívky přenese na kondenzátor a zátěž. Tento proces umožňuje udržení toku energie v obvodu, aniž by došlo k návratu energie zpět do zdroje (baterie).

LLM - ZÁVĚR

Popis, který jsem poskytl, není v souladu s obvyklým provozem tohoto typu měniče.

Správně je, že po otevření spínače proud z cívky prochází stále ve stejném směru, jak jste uvedl. Jinými slovy, induktor vynutí otevření diody a proud bude procházet diodou.

Během fáze, kdy je spínač otevřený, je energie z cívky přenášena na kondenzátor přes diodu, která je otevřená v propustném směru. Kondenzátor se tímto způsobem nabíjí, což umožňuje udržení toku energie v obvodu.

Tento popis je v souladu s obvyklým provozem buck měniče. Omlouvám se za předchozí nejasnosti a děkuji za upozornění na tento rozpor.

Správné vysvětlení principu na schématu výše

Hodnota RMS a výpočet Pavg

K čemu je v elektrotechnice užitečné znát hodnotu RMS?

Znát hodnotu RMS (Root Mean Square) je v elektrotechnice zásadní, protože se jedná o efektivní hodnotu střídavého signálu. RMS hodnota je to, co by mělo stejné množství energie jako stejnosměrný signál s danou hodnotou. Zde je několik důvodů, proč je znalost RMS hodnoty důležitá:

1. Měření napětí a proudu: V elektrických obvodech se často pracuje se střídavými signály. RMS hodnota napětí nebo proudu se používá k určení jejich efektivní hodnoty, což je důležité pro měření, návrh a analýzu obvodů.

2. Výkon a energie: Při výpočtu výkonu ve střídavých obvodech se používá RMS hodnota napětí a proudu. Výkon je produktem proudu a napětí, ale pokud by se použila maximální hodnota, výsledek by byl zkreslen. RMS hodnota poskytuje přesnější údaje o výkonu.

3. Teplotní efekty: RMS hodnota se také používá k určení tepelné zátěže na komponentech v elektrických obvodech. I když průběh proudu nebo napětí může být proměnlivý, tepelná zátěž se vypočítá na základě RMS hodnoty.

4. Přenos signálu: Při přenosu střídavých signálů je důležité znát jejich RMS hodnoty, protože tyto hodnoty určují úroveň signálu, který je přenášen přes různá zařízení a kanály.

Celkově řečeno, znalost RMS hodnoty je důležitá pro správné fungování a návrh elektrických obvodů, a to jak pro měření, tak pro analýzu jejich chování a účinků.

Jak se vypočítá rms proudu a rms napětí?

Pro výpočet RMS hodnoty proudu a napětí ve střídavém obvodu se obvykle používá následující postup:

Pro napětí:

1. Měření průběhu napětí: Nejprve se musí změřit časový průběh napětí pomocí osciloskopu nebo jiného vhodného měřícího zařízení.

2. Kvadratický výpočet: Každá hodnota napětí v časovém průběhu se umocní na druhou (tj. vynásobí se sama se sebou).

3. Průměr kvadratických hodnot: Sečtou se všechny umocněné hodnoty napětí a výsledná suma se vydělí počtem měřených vzorků.

4. Druhá odmocnina: Výsledek průměru kvadratických hodnot se druhou odmocní, aby se získala RMS hodnota napětí.

Pro proud:

Postup je obdobný, ale namísto napětí se měří proud.

Matematicky:

Pro napětí $V(t)$ nebo proud $I(t)$ se RMS hodnota počítá pomocí následujícího vzorce:

$V_{RMS}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^{T}V(t{)}^{2}dt}$

$I_{RMS}=\sqrt{\frac{1}{T}{\int }_0^{T}I(t{)}^{2}dt}$​

kde:

• $T$ je perioda signálu,
• $V(t)$ je hodnota napětí v čase $t$,
• $I(t)$ je hodnota proudu v čase $t$.

Tento integrál se vypočítá pro celou periodu signálu, umocní se na druhou, sečtou se a vydělí se délkou periody. Poté se vezme druhá odmocnina celého tohoto průměru, což dává efektivní (RMS) hodnotu napětí nebo proudu.

Tímto způsobem se vypočítá RMS hodnota proudu a napětí ve střídavých obvodech.

Jak se říká horní části zlomku?

Horní část zlomku se nazývá "čitatel".

a dolní část je jmenovatel?

Ano, přesně tak! Dolní část zlomku se nazývá "jmenovatel". Jmenovatel udává počet rovnocenných dílů, na které je celý celek rozdělen.

Takto se vypočítá RMS hodnota pro střídavý proud ($I_{\text{RMS}}$) a střídavé napětí ($U_{\text{RMS}}$):

Pro střídavý proud ($I_{\text{RMS}}$): $I_{\text{RMS}}=\frac{I_{\text{peak}}}{\sqrt{2}}$ 

Pro střídavé napětí ($U_{\text{RMS}}$): $U_{\text{RMS}}=\frac{U_{\text{peak}}}{\sqrt{2}}$

​Kde:

• $I_{\text{peak}}$ je maximální hodnota proudu,
• $U_{\text{peak}}$ je maximální hodnota napětí.

Zde se čitatel ($I_{\text{peak}}$ nebo $U_{\text{peak}}$) umocní na druhou, protože to odpovídá kvadratickému výpočtu. Potom se vydělí odmocninou ze dvou, což odpovídá normalizaci podle kvadratického průměru.

Pak jsou ještě výpočty Ppeak pomocí napětí a odporu nebo pomocí proudu a odporu. Takže Upeak na druhou děleno 2*R nebo Ipeak*2 děleno 2

 

Ano, to je správně. Výpočet maximálního výkonu ($P_{\text{peak}}$) pomocí střídavého napětí a odporu nebo pomocí střídavého proudu a odporu lze provést následujícím způsobem:

Pomocí napětí a odporu:

$P_{\text{peak}}=\frac{U_{\text{peak}}^{\mathrm{2/}}}{2R}$

Kde:

• $U_{\text{peak}}$ je maximální hodnota napětí,
• $R$ je odpor.

Pomocí proudu a odporu:

$P_{\text{peak}}=\frac{I_{\text{peak}}^2\cdot R}{2}$

Kde:

• $I_{\text{peak}}$ je maximální hodnota proudu,
• $R$ je odpor.

Tyto vzorce jsou odvozeny z vztahu pro výkon $P$, který je roven součinu napětí a proudu ($P=U\cdot I$) a využívají se pro výpočet maximálního výkonu v daném střídavém obvodu s daným odporem.

Proč v případě že používám Ipeak pro výpočet, se musí číslo 2 přesunout z jmenovatele do čitatele? Vysvětlete někomu kdo neumí moc dobře matematiku.

 

Samozřejmě, rád vysvětlím! Základní myšlenka spočívá v tom, že když použijeme maximální hodnotu proudu ($I_{\text{peak}}$) pro výpočet maximálního výkonu, musíme použít kvadratickou hodnotu proudu v kvadratickém členu $I^2$, abychom získali správný výkon.

Když máme vzorec pro výkon:

$P=I^2\cdot R$

A chceme z něj vyjádřit maximální výkon $P_{\text{peak}}$, který dosáhne, když je proud nejvyšší, tak potřebujeme použít maximální hodnotu proudu $I_{\text{peak}}$. Protože kvadratický člen je součet stejné hodnoty dvakrát ($I^2=I\cdot I$), můžeme si představit, že násobíme $I_{\text{peak}}$ dvakrát.

Pokud máme vzorec:

$P=\frac{I_{\text{peak}}^2\cdot R}{2}$

Dělení $2$ v jmenovateli je proto, aby se kvadratický výraz $I_{\text{peak}}^2$ normalizoval, tj. aby se dosáhlo průměrné hodnoty proudu (RMS). Tím se výsledek správně vyjádří jako RMS hodnota proudu v kvadratickém členu.

Takže přesunutí $2$ z jmenovatele do čitatele zajišťuje, že výsledný výkon bude odpovídat správné RMS hodnotě proudu.

ChatGPT