Simple DC/DC ZETA Converter Topology based on Arduino UNO [EP1]

สำหรับโครงงานนี้จะเป็นการทดลองคอนเวอร์เตอร์อีกแบบหนึ่งคือ ซีต้า คอนเวอร์เตอร์ (ZETA Converter Topology) ซึ่งจะเป็นวงจรขนาดเล็กทั้งนี้เป็นการทดลองสำหรับเรียนรู้ของแอดมินเอง โดยในตอนนี้เป็นตอนที่ 1 จะเป็นส่วนของแนวความคิดของการทำงานวงจร, การควบคุมการทำงานโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ และสังเกตลักษณะการทำงานเพื่อให้เข้าใจเพื่มขึ้น รวมทั้งเป็นลักษณะการทำงานทั่วไป (Non-synchronous) โดยการทดลองโครงงานจะแบ่งเป็น 3 โหมดคือ โหมดบักคอนเวอร์เตอร์ (Buck Mode), โหมดบูทคอนเวอร์เตอร์ (Boost Mode) และโหมดบัฟเฟอร์แอมป์ (Buffer Amplifier)

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 เป็นการเตรีมอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ในการประกอบโครงงานและลักษณะของการประกอบอุปกรณ์ของส่วนขับกำลัง เพื่อให้เห็นลักษณะของการวางเลเอาต์อุปกรณ์ต่างๆ บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และเป็นระเบียบเรียบร้อย

รูปที่ 3 แสดงลักษณะของตัวเหนี่ยวนำที่พันขึ้นสำหรับทดลองโครงงาน ซึ่งจะมี 2 ส่วนคือ ตัวเหนี่ยวนำหลักขนาด 220uH (ซ้ายมือ) และสำหรับฟิลเตอร์เอาต์พุต 140uH (ด้านขวามือ)

รูปที่ 4 และรูปที่ 5 การประกอบอุปกรณ์ขับกำลังต่างๆ เรียบร้อยในลักษณะของวงจร ZETA Converter และต่อร่วมกับบอร์ดควบคุม Arduino UNO โดยบอร์ด Arduino UNO จะส่งสัญญาณขับให้กับเพาเวอร์มอสเฟตและรับสัญญาณป้อนกลับ (Feedback signal) แรงดันที่เอาต์พุตเพื่อควบคุมให้คงที่

รูปที่ 6 แสดงลักษณะของการทดลองโครงงานและเริ่มเตรียมการทดลอง

รูปที่ 7 แสดงแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงสำหรับทดลองโครงงาน ซึ่งสามารถปรับแรงดันได้ที่ 20VDC และ 40VDC

รูปที่ 11 สัญญาณขับขาเกต (CH1) ขณะสแตนบายที่ตัวเพาเวอร์มอสเฟตด้านบน (Q1 ในรูปวงจรที่ 28) และสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ (L1) ที่ช่องวัดสัญญาณที่ 2 (CH2) โดยความถี่สวิตชิ่งในการทำงานจะกำหนดไว้ที่ 100kHz

รูปที่ 12 และรูปที่ 13 แสดงค่าแรงดันอินพุตและเอาต์พุตในขณะวงจรสแตนบายและยังไม่มีโหลด โดยค่าแรงดันเอาต์พุตกำหนดไว้ที่ 15V และแรงดันอินพุตที่ 20V

รูปที่ 14 ถึงรูปที่ 17 เป็นการทดลองที่ 1 โดยการทดลองให้ค่าแรงดันอินพุตใกล้เคียงกับค่าแรงดันเอาต์พุต ซึ่งจะสังเกตเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นจะใกล้เคียง 50% ตามแนวความคิดของการทำงานคอนเวอร์เตอร์แบบนี้ [Ref.3] Vo = Vi*(D/(1-D)) จากผลการทดลองค่าแรงดันเอาต์พุตยังคงที่ 15V และกระแสเอาต์พุตจะมีค่าประมาณ 1.5A

รูปที่ 18 ถึงรูปที่ 21 เป็นการทดลองที่ 2 โดยให้ค่าแรงดันอินพุตมากกว่าค่าแรงดันเอาต์พุตคือ Vi = 38.4V และ Vo = 15.13V จะสังเกตเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นในรูปที่ 18 จะแคบลงหรือน้อยกว่า 50% โดยในช่วงเวลานี้วงจรจะทำงานในลักษณะของวงจรบักคอนเวอร์เตอร์ ซึ่งแรงดันที่เอาต์พุตจะยังคงที่ 15V และกระแสเอาต์พุตจะมีค่าประมาณ 1.5A เช่นเดิม

รูปที่ 22 ถึงรูปที่ 25 การทดลองที่ 3 ให้ค่าแรงดันอินพุตน้อยกว่าค่าแรงดันเอาต์พุตคือ Vi = 10.05V และ Vo = 15.11V จะเห็นว่าสัญญาณพัลซ์วิดมอดูเลตชั่นในรูปที่ 22 จะกว้างขึ้นหรือมากกว่า 50% ในช่วงเวลานี้วงจรจะทำงานในลักษณะของวงจรบูทคอนเวอร์เตอร์ และแรงดันที่เอาต์พุตจะยังคงที่ 15V และกระแสเอาต์พุตจะมีค่าประมาณ 1.5A เช่นกัน

รูปที่ 26 เป็นลักษณะของการทดลองโครงงานทั้งหมด โดยใช้มัลติมิเตอร์สำหรับวัดค่าแรงดันอินพุตและเอาต์พุตในการสังเกตการทำงาน และใช้แคล้มมิเตอร์ในการวัดค่ากระแสทางด้านเอาต์พุต โดยใส่วนกระแสอินพุตจะสังเกตจากตัวแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรง นอกจากนี้การวัดสัญญาณจะเป็นส่วนของการขับขาเกตสำหรับเพาเวอร์มอสเฟตด้านบน (CH1) และที่ช่องวัดสัญญาณ 2 (CH2) จะเป็นการวัดสัญญาณกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ L1 นั้นเอง

/*
    Code program Test for DC-DC ZETA Converter Topology
    MCU : Arduino UNO
    Fs = 100kHz
    Vi = 10V-40V/5A
    Vo = 15V/1.5A 
    Output Power : 20W (Continuous)
    R&D by : www.electronicsdna.com
    Date : 10-12-2021 (V.0)     
 */

#include <PWM.h>

int PinPWM = 9;                  
int brightness = 0;              
int Output_PWM = 0;
int32_t frequency = 100000;      // Frequency (in Hz)

void setup()
{   
  InitTimersSafe();   
  bool success = SetPinFrequencySafe(PinPWM, frequency);   
  if(success) {   
    pinMode(9,OUTPUT);  
  }
}

void loop()
{
         int Voutput = analogRead(A0);  
         Serial.print(", Vo = ");  
         Serial.print(Voutput);
         
         if(Voutput>505){Output_PWM = Output_PWM-1; goto goPWMSignal;} 
         if(Voutput<495){Output_PWM = Output_PWM+1; goto goPWMSignal;} 
         
 goPWMSignal:

         if(Output_PWM>230){Serial.print("\t MAX "); Output_PWM=230; goto setPWMSignal;}            
         if(Output_PWM<0)  {Serial.print("\t MIN "); Output_PWM=0; goto setPWMSignal;}
         
 setPWMSignal:                 
         pwmWrite(PinPWM,Output_PWM );   
         delay(50);   
}

Download Library ——-> PWM.h

*** โปรแกรมที่แสดงข้างบนนี้เป็นตัวอย่างแนวคิดเบื้องต้นให้ผู้อ่านสามารถนำไปพัฒนาเพิ่มเติม เช่น การควบคุมแบบ Adaptive control, PID control หรือ Fuzzy Logic control : FLC เป็นต้นครับ

สำหรับโครงงาน ZETA Converter นี้เป็นการทดลองเบื้องต้น โดยการทดลองการทำงานด้วยกัน 3 รูปแบบเพื่อสังเกตการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ลักษณะนี้ คือ การทดลองแรก เมื่ออินพุตใกล้เคียงกับแรงดันเอาต์พุตที่กำหนด, การทดลองที่สอง เมื่อแรงดันอินพุตมากกว่าค่าแรงดันเอาต์พุต และสุดท้ายการทดลองที่สาม แรงดันอินพุตน้อยกว่าค่าแรงดันเอาต์พุต ซึ่งในตอนที่ 1 นี้จะยังคงเป็นคอนเวอร์เตอร์ทำงานแบบทั่วไป (Non-Synchronous) สำหรับเป็นการเรียนรู้และทำความเข้าใจเบื้องต้น ในตอนต่อไปจะเป็นการควบคุมเพาเวอร์มอสเฟสทั้งสองตัว (Q1 และ Q2) ในแบบของ Synchronous ZETA Converter กันต่อนะครับ.

Reference

1. https://www.ti.com/lit/an/slyt372/slyt372.pdf?ts=1637829028713&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
2. https://www.researchgate.net/publication/314798714_Design_and_Implementation_of_Controlled_Zeta_Converter_Power_Supply
3. https://www.ijirmf.com/wp-content/uploads/201804026.pdf
4. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1362/1/012104/pdf
5. https://www.ijert.org/research/comparison-between-zeta-converter-and-boost-converter-using-sliding-mode-controller-IJERTV5IS070322.pdf
6. https://jpels.org/digital-library/manuscript/file/17377/JPE%206-2-7.pdf
7. https://www.analog.com/en/technical-articles/the-low-output-voltage-ripple-zeta-dc-dc-converter-topology.html
8. https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01467A.pdf