Basics DC-DC Buck-Boost Converter [EP1]

โครงงานเล็กๆ กับวงจรบัก-บูทคอนเวอร์เตอร์ (Buck-Boost Converter) แบบง่าย โดยใช้บอร์ดควบคุม Arduino UNO สำหรับเป็นพื้นฐานในการเรียนรู้คอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่ง โดยในโครงงานนี้จะเป็นการประกอบวงจรขึ้นมาทีละส่วน จากนั้นก็จะใช้วิธีการทดลองทีละส่วนด้วยเช่นกัน ทั้งนี้เพื่อให้งานต่อการพัฒนาและสามารถวิเคราะห์ได้ง่ายเมื่อต้องการปรับแต่งหรือแก้ไขวงจรภายหลัง ในส่วนของ EP1 นี้จะเป็นการประกอบอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับใช้ในการทดลอง

รูปที่ 1 แสดงบล็อกไดอะแกรมการทำงานของวงจรที่จะใช้ในการทดลอง ซึ่งจะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนด้วยกันคือ ส่วนแรกด้านซ้ายมือจะเป็นโครงสร้างของวงจรวงจร Buck converter (ในกรอบสีน้ำเงิน) ซึ่งส่วนนี้จะทำหน้าที่ลดขนาดแรงดันอินพุตลงให้มีค่าเท่ากับค่าที่กำหนด (Setpoint) ส่วนที่สองจะเป็นส่วนของวงจร Boost converter จะทำงานตรงข้ามกับส่วนแรกโดยการเพิ่มแรงดันขึ้นเพื่อให้เท่ากับกับค่าที่กำหนดเช่นกัน และส่วนที่สามจะเป็นส่วนของการประมวลผลการทำงานทั้งหมด เพื่อให้วงจรทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพ (Stability) และปรับชดเชย (Compensation) การทำงานของระบบได้อย่างถูกต้อง (ดูวงจรการทำงานในตอนที่ 2 ร่วมกับตัวอย่างโปรแกรม)

รูปที่ 2 เป็การเตรียมอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการสร้างวงจร Buck-Boost Converter รวมทั้งการนำเอาอุปกรณ์ทั้งหมดมาวางโครงร่าง (Layout) ในการประกอบอุปกรณ์ทุกส่วนเบื้องต้น

รูปที่ 3 และ 4 การประกอบส่วนแรกจะเป็นเพาเวอร์มอสเฟต ตัวเก็บประจุ ซ๊อกเกตสำหรับไอซี และตัวเก็บประจุ ซึ่งจะเป็นอุปกรณ์โดยหลักของบอร์ดนี้ก่อน ส่วนที่รูปที่ 4 จะเป็นการนำออปโต้คัปเปิ้ลมาใส่, ตัวเหนี่ยวนำ, ตัวต้านทานสำหรับส่งค่าแรงดันป้อนกลับ (Feedback Signal) ที่อินพุต/เอาต์พุต และตัววัดค่ากระแสที่เอาต์พุตซึ่งในวงจรนี้จะใช้ฮอร์เซนเซอร์ (Hall Sensor)

รูปที่ 5 เป็นการต่อสายไฟสัญญาณที่จุดต่างๆ ของบอร์ดขับกำลังในส่วน Buck-Boost Converter มายังบอร์ดควบคุม Arduino UNO โดยจะมีด้วยกัน 5 ส่วนคือ ค่าแรงดันสัญญาณอินพุตและเอาต์พุต, สัญญาณขับกำลังส่วนของการลดแรงดัน (Buck Converter), สัญญาณขับกำลังส่วนของการเพิ่มแรงดัน (Boost Converter) และส่วนของการตรวจจับการจ่ายกระแสที่เอาต์พุต (Output Current sensor)

รูปที่ 6 เตรียมบอร์ดควบคุม Arduino UNO เพื่อใช้ในการเลือกจุดเชื่อมต่อ และเป็นการกำหนดขาต่างๆ ที่จะใช้ในการรับและส่งสัญญาณควบคุม สำหรับใช้ในการทดลองวงจรเบื้องต้น

รูปที่ 7 และ 8 แสดงการต่อเชื่อมต่อสายไฟสำหรับสัญญาณควบคุม โดยจะเป็นแบบสายแพรที่เป็นหัวต่อตัวผู้ทั้ง 2 ด้าน โดยด้านหนึ่งจะต่อเข้ากับบอร์ด Buck-Boost Converter ที่บัดกรีเพื่อไม่ให้เกิดการหลุดหรือหลวมขึ้น และอีกด้านหนึ่งจะต่อเข้ากับขาบนบอร์ด Arduino UNO ได้โดยตรง โดยในส่วนนี้เพื่อให้เราสามารถปรับแต่หรือแก้ไขได้ง่ายในการทดลองภายหลัง

รูปสุดท้ายที่ 9 จะเป็นลักษณะของบอร์ดการทดลองทั้งสองส่วน เชื่อมต่อกันเสร็จสมบูรณ์แล้ว ซึ่งในขั้นต่อไปจะเป็นทดลองการทำงานเบื้องต้น ในแต่ละส่วนและเป็นการทดลองการรับและส่งสัญญาณด้วยข้อมูลที่เกิดขึ้นจริง รวมทั้งวงจรการทำงานสำหรับดูพร้อมกับตัวอย่างโปรแกรมที่ใช้ ในตอนต่อไป PE2 เราจะมาทดลองกันต่อครับ.

Reference

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Buck%E2%80%93boost_converter
2. https://learnabout-electronics.org/PSU/psu33.php
3. https://www.benthamopen.com/FULLTEXT/TOEEJ-11-57
4. https://www.semanticscholar.org/paper/Study-of-bi-directional-buck-boost-converter-with-Su-Xu/90f787d12c0115b595692b8dc7ea5223fe81ccbe
5. https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/utilization-of-simple-converters-circuits/
6. https://www.powerelectronics.com/technologies/dc-dc-converters/article/21862686/wide-vin-and-highpower-challenges-with-buckboost-converters
7. https://www.researchgate.net/figure/Noninverting-synchronous-DC-DC-buck-boost-converter_fig1_240918085
8. https://www.semanticscholar.org/paper/A-synchronous-buck-boost-converter-on-a-0.5%C2%B5m-George-Lehmann/5af9242cfbbf3d6d6c1ec4ccf42eda2dc78f0c0a
9. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0019057816307443
10. https://www.ti.com/tool/PMP10681?utm_source=google&utm_medium=cpc&utm_campaign=sys-auto-null-refdesdynamic-cpc-evm-google-wwe&utm_content=refdesdynamic&ds_k=DYNAMIC+SEARCH+ADS&DCM=yes&gclid=Cj0KCQiA-OeBBhDiARIsADyBcE6TvFBcafk-_jlOM9j-p0e-Qm68J3DV9B1pHxgMXsUyr76Gcjmb0SMaAsyjEALw_wcB&gclsrc=aw.ds