Převodníky DC-DC

Pro napájení různých elektronických zařízení se používají velmi často DC / DC převodníky. Používají se ve výpočetních zařízeních, komunikačních zařízeních, různých řídicích a automatizačních obvodech atd.

Napájecí zdroje transformátorů

U tradičních transformátorových napájecích zdrojů se napětí sítě převádí pomocí transformátoru, nejčastěji sníženého, ​​na požadovanou hodnotu. Podpětí usměrněno diodovým můstkem a vyhlazeno kondenzátorovým filtrem. V případě potřeby je za usměrňovač umístěn polovodičový stabilizátor.

Napájecí zdroje transformátoru jsou obvykle vybaveny lineárními stabilizátory. Tyto stabilizátory mají přinejmenším dvě výhody: jsou to malé náklady a malý počet dílů v postroji. Tyto výhody jsou však spotřebovány nízkou účinností, protože významná část vstupního napětí se používá k zahřívání řídicího tranzistoru, což je pro napájení přenosných elektronických zařízení zcela nepřijatelné.

Převodníky DC / DC

Pokud je zařízení napájeno galvanickými články nebo bateriemi, pak je možné převést napětí na požadovanou úroveň pouze pomocí DC / DC převodníků.

Myšlenka je poměrně jednoduchá: konstantní napětí se zpravidla převádí na střídavé napětí, s frekvencí několika desítek nebo dokonce stovek kilohertů, stoupá (klesá), a pak se usměrňuje a přivádí do zátěže. Takové převodníky se často nazývají pulzní.

Příkladem je zesilovací převodník od 1,5V do 5V, pouze výstupní napětí počítače USB počítače. Podobný výkonový měnič se prodává na Aliexpressu.

Obr. 1. Převodník 1,5V / 5V

Pulzní převodníky jsou dobré v tom, že mají vysokou účinnost, v rozmezí 60 - 90%. Další výhodou pulzních převodníků je široká škála vstupních napětí: vstupní napětí může být nižší než výstupní napětí nebo mnohem vyšší. Obecně lze převodníky DC / DC rozdělit do několika skupin.

Klasifikace převodníků

Krok-dolů nebo dolar

Výstupní napětí těchto měničů je zpravidla nižší než vstupní: bez zvláštních ztrát při zahřívání řídicího tranzistoru můžete při vstupním napětí 12 ... 50V získat napětí jen několika voltů. Výstupní proud takových měničů závisí na požadavku na zátěž, která zase určuje obvody měniče.

Další anglické jméno pro převaděč vrtulníku vrtulníku. Jednou z možností překladu tohoto slova je jistič. V technické literatuře je převaděč dolarů někdy nazýván „vrtulník“. Prozatím si tento termín pamatujte.

Zvýšení nebo posílení anglické terminologie

Výstupní napětí těchto převodníků je vyšší než vstupní. Například se vstupním napětím 5 V lze získat výstup až 30 V a je možná jeho plynulá regulace a stabilizace. Převaděče Boost se často nazývají posilovače.

Univerzální převodníky - SEPIC

Výstupní napětí těchto převodníků je udržováno na předem stanovené úrovni, přičemž vstupní napětí je vyšší než vstupní a nižší. Doporučuje se v případech, kdy se vstupní napětí může výrazně lišit. Např. V autě se napětí baterie může lišit mezi 9 ... 14V a musíte získat stabilní napětí 12V.

Invertující převodníky - invertující převodník

Hlavní funkcí těchto převodníků je získání výstupního napětí s obrácenou polaritou vzhledem ke zdroji energie. Velmi výhodné například v případech, kdy je vyžadována bipolární výživa pro napájení operačního zesilovače.

Všechny tyto převaděče mohou být stabilizovány nebo nestabilizovány, výstupní napětí může být galvanicky připojeno ke vstupu nebo může mít galvanické oddělení napětí. Vše záleží na konkrétním zařízení, ve kterém bude převodník použit.

Abychom mohli přistoupit k další diskusi o měničích DC / DC, měli bychom se alespoň zabývat teorií.

Chopper down converter - buck type converter

Jeho funkční diagram je uveden na obrázku níže. Šipky na vodičích označují směr proudů.

Obr. Funkční schéma stabilizátoru vrtulníku

Vstupní napětí Uin je přivedeno na vstupní filtr - kondenzátor Cin. Jako klíčový prvek se používá tranzistor VT, který provádí vysokofrekvenční spínání proudu. Mohlo by to být Tranzistor MOSFET, IGBT buď konvenční bipolární tranzistor. Kromě těchto detailů obsahuje obvod výbojovou diodu VD a výstupní filtr - LCout, ze kterého napětí vstupuje do zátěže Rн.

Je snadno vidět, že zátěž je zapojena do série s prvky VT a L. Proto je obvod konzistentní. Jak dochází k podpětí?

Modulace šířky pulsu - PWM

Řídicí obvod generuje pravoúhlé impulzy s konstantní frekvencí nebo konstantním obdobím, což je v podstatě to samé. Tyto impulsy jsou znázorněny na obrázku 3.

Obr. Řídicí impulsy

T je doba pulsu, tranzistor je otevřený, tp je doba pauzy a tranzistor je uzavřen. Poměr ti / T se nazývá pracovní cyklus pracovního cyklu, označený písmenem D a je vyjádřen v %% nebo jednoduše v číslech. Například s D rovným 50% se ukáže, že D = 0,5.

D se tedy může měnit od 0 do 1. S hodnotou D = 1 je klíčový tranzistor ve stavu plného vedení a v D = 0 ve odpojeném stavu, jednoduše řečeno, je uzavřen. Je snadné uhodnout, že při D = 50% bude výstupní napětí rovno polovině vstupu.

Je zcela zřejmé, že k regulaci výstupního napětí dochází v důsledku změny šířky regulačního impulzu t a ve skutečnosti změny koeficientu D. Tento princip regulace se nazývá PWM modulovaný šířkou impulsu (PWM). V téměř všech spínacích zdrojích je výstupní napětí stabilizováno přesně pomocí PWM.

V diagramech znázorněných na obrázcích 2 a 6 je PWM „skrytý“ v obdélnících s nápisem „Řídicí obvod“, který vykonává některé další funkce. Například to může být plynulý start výstupního napětí, dálkové zapnutí nebo ochrana převodníku proti zkratu.

Obecně byly převaděče používány tak často, že společnosti vyrábějící elektronické komponenty uspořádané pro regulátory PWM pro všechny příležitosti. Rozsah je tak velký, že pro jejich seznam budete potřebovat celou knihu. Proto nikomu nedochází k sestavování převodníků na diskrétní prvky, nebo jak často říkají „sypký prášek“.

Kromě toho lze u Aliexpress nebo Ebay zakoupit ready-made převaděče s malou kapacitou za nízkou cenu. Současně pro instalaci v amatérském designu stačí připájet vstupní a výstupní vodiče k desce a nastavit požadované výstupní napětí.

Ale zpět k našemu obrázku 3. V tomto případě koeficient D určuje, kolik času bude otevřeno (fáze 1) nebo uzavřeno (fáze 2) klíčový tranzistor. Pro tyto dvě fáze si můžete představit diagram na dvou obrázcích. Obrázky NEZOBRAZUJÍ ty prvky, které se v této fázi nepoužívají.

Obr. Fáze 1

Když je tranzistor otevřený, proud ze zdroje energie (galvanický článek, baterie, usměrňovač) prochází indukční tlumivkou L, zátěží Rн a nabíjecím kondenzátorem Cout. Současně protéká zátěž proudem, kondenzátor Cout a induktor L akumulují energii. Současné iL se postupně zvyšuje, ovlivňuje účinek indukčnosti induktoru. Tato fáze se nazývá čerpání.

Jakmile napětí na zátěži dosáhne nastavené hodnoty (určeno nastavením ovládacího zařízení), tranzistor VT se uzavře a zařízení se přesune do druhé fáze - výbojové fáze. Uzavřený tranzistor na obrázku není vůbec znázorněn, jako by neexistoval. To ale znamená, že tranzistor je uzavřen.

Obr. Fáze 2

Když je tranzistor VT uzavřen, nedochází k žádnému doplňování energie v induktoru, protože je odpojen zdroj energie. Indukčnost L má sklon bránit změně velikosti a směru proudu (samoindukce) protékající indukčním vinutím.

Proto se proud nemůže okamžitě zastavit a uzavře se obvodem s diodovou zátěží. Z tohoto důvodu se dioda VD nazývá bit. Je to zpravidla vysokorychlostní Schottkyho dioda. Po regulační periodě fáze 2 se obvod přepne na fázi 1, proces se opakuje znovu. Maximální napětí na výstupu uvažovaného obvodu se může rovnat vstupu a už ne. K získání výstupního napětí většího než vstupní napětí se používají zesilovače.

Je třeba poznamenat, že ve skutečnosti ne všechno je tak jednoduché, jak je uvedeno výše: předpokládá se, že všechny komponenty jsou dokonalé, tj. zapnutí a vypnutí nastává bez prodlení a aktivní odpor je nulový. Při praktické výrobě takových schémat je třeba vzít v úvahu mnoho nuancí, protože hodně závisí na kvalitě použitých komponent a parazitní kapacitě zařízení. Pouze o tak jednoduchém detailu, jako je škrticí klapka (dobře, jen cívka drátu!), Můžete napsat více než jeden článek.

Prozatím je třeba pouze vyvolat hodnotu indukčnosti, která určuje dva režimy chopperu. Při nedostatečné indukčnosti bude převodník pracovat v režimu přerušeného proudu, což je pro zdroje energie zcela nepřijatelné.

Pokud je indukčnost dostatečně velká, pak práce probíhá v režimu neoddělitelných proudů, což umožňuje použití výstupních filtrů k získání konstantního napětí s přijatelnou úrovní zvlnění. V režimu trvalého proudu fungují také stupňovité převodníky, které budou popsány níže.

Pro určité zvýšení účinnosti je výbojová dioda VD nahrazena tranzistorem MOSFET, který je ve správný čas otevřen řídicím obvodem. Takové převodníky se nazývají synchronní. Jejich použití je odůvodněné, pokud je výkon převodníku dostatečně velký.

Zvyšujte nebo zvyšujte podporu převodníků

Převodníky Boost se používají hlavně pro napájení nízkého napětí, například ze dvou na tři baterie, a některé součásti vyžadují 12 ... 15 V s nízkou spotřebou proudu. Poměrně se konvertor podpory krátce a jasně nazývá slovo „posilovač“.

Obr. Funkční schéma zesilovače

Vstupní napětí Uin je přivedeno na vstupní filtr Cin a přivedeno na sériově zapojené induktor L a spínací tranzistor VT. Dioda VD je připojena k bodu připojení cívky a odtoku tranzistoru. Na druhý terminál diody je připojena zátěž R a zkratovací kondenzátor Cout.

Tranzistor VT je řízen řídicím obvodem, který generuje stabilní kmitočetový řídicí signál s nastavitelným pracovním cyklem D, stejným způsobem, jak je popsáno výše v popisu obvodu chopperu (obr. 3). Dioda VD ve správný čas blokuje zátěž z klíčového tranzistoru.

Když je klíčový tranzistor otevřený, je pravý boční výstup cívky L připojen k zápornému pólu napájecího zdroje Uin. Rostoucí proud (účinek indukčnosti ovlivňuje) ze zdroje energie protéká cívkou a otevřeným tranzistorem, energie se hromadí v cívce.

V tomto okamžiku VD dioda blokuje zátěž a výstupní kondenzátor z klíčového obvodu, čímž zabraňuje vybití výstupního kondenzátoru přes otevřený tranzistor. Zatížení v tomto okamžiku je poháněno energií uloženou v kondenzátoru Cout. Napětí na výstupním kondenzátoru přirozeně klesá.

Jakmile se výstupní napětí mírně sníží, než je stanovené napětí (určeno nastavením řídicího obvodu), tranzistorový klíč VT se uzavře a energie uložená v induktoru dobije kondenzátor Cout diodou VD, která napájí zátěž. V tomto případě se samoindukční EMF cívky L přičte k vstupnímu napětí a převede se na zátěž, proto je výstupní napětí větší než vstupní napětí.

Když výstupní napětí dosáhne nastavené úrovně stabilizace, řídicí obvod otevře tranzistor VT a proces se opakuje z fáze ukládání energie.

Univerzální převodníky - SEPIC (jednostranný primární induktorový konvertor nebo konvertor s asymetricky zatíženou primární indukčností).

Tyto převaděče se používají hlavně tehdy, když má zátěž nízký výkon a vstupní napětí se mění ve větším či menším rozsahu vzhledem k výkonu.

Obr. Funkční schéma převodníku SEPIC

Je velmi podobný obvodu pomocného měniče znázorněného na obrázku 6, ale má další prvky: kondenzátor C1 a cívku L2. Právě tyto prvky zajišťují provoz převodníku v režimu podpětí.

Převodníky SEPIC se používají v případech, kdy se vstupní napětí značně liší. Příkladem je 4V-35V až 1,23V-32V zesilovač stupňového napěťového regulátoru zvyšujícího napětí. Právě pod tímto názvem se převodník prodává v čínských obchodech, jejichž obvod je zobrazen na obrázku 8 (kliknutím obrázek zvětšíte).

Obr. Schéma převodníku SEPIC

Obrázek 9 ukazuje vzhled desky s označením hlavních prvků.

Obr. Vzhled převodníku SEPIC

Obrázek ukazuje hlavní části podle obrázku 7. Měli byste věnovat pozornost přítomnosti dvou cívek L1 L2. Na základě této funkce lze určit, že se jedná o převodník SEPIC.

Vstupní napětí desky může být v rozsahu 4 ... 35V. V tomto případě lze výstupní napětí nastavit v rozsahu 1,23 ... 32V. Provozní frekvence převodníku je 500 kHz. Při malé velikosti 50 x 25 x 12 mm poskytuje deska výkon až 25 wattů. Maximální výstupní proud až 3A.

Zde je však třeba poznamenat. Pokud je výstupní napětí nastaveno na 10 V, pak výstupní proud nesmí být vyšší než 2,5 A (25 W). S výstupním napětím 5V a maximálním proudem 3A bude výkon pouze 15W. Hlavní věc zde není přehánět: nepřekračujte maximální přípustný výkon nebo nepřekračujte přípustný proud.

Viz také: Spínané napájecí zdroje - princip činnosti

Boris Aladyshkin