Jednoduché beztransformátorové pulzní měniče napětí

Pro mnoho šunek pro začátečníky je obtížné určit typ napájení, ale není to tak obtížné. Mezi hlavní metody převodu napětí patří použití jedné ze dvou možností zapojení:

• Transformátor;

• Napájecí zdroje bez transformátoru.

Transformátory se zase liší typem obvodu:

• Síť, s transformátorem pracujícím na frekvenci 50 Hz;

• Pulzní, s transformátorem pracujícím na vysokých frekvencích (desítky tisíc Hz).

Impulzní obvody napájecích zdrojů mohou zvýšit celkovou účinnost konečného produktu tím, že se vyhnou statickým ztrátám na lineárních stabilizátorech a dalších prvcích.

Beztransformátorové obvody

Pokud je potřeba napájení z domácího napájení 220 V, lze nejjednodušší zařízení zapnout z napájecích zdrojů pomocí zátěžových prvků ke snížení napětí. Široce známý příklad takového zdroje energie je obvod zátěžového kondenzátoru.

Existuje však řada ovladačů s vestavěným Řídicí jednotka PWM a výkonový vypínač pro vytvoření beztransformátorového pulzního převodníku, to jsou velmi běžné LED žárovky a další technologie.

V případě napájení ze stejnosměrného zdroje, například z baterií nebo jiných galvanických baterií, použijte:

• Lineární stabilizátor napětí (integrální stabilizátor typu KREN nebo L78xx s průchozím tranzistorem nebo bez něj, parametrický stabilizátor zenerovy diody a tranzistoru)

• Pulzní převodník (snižování - BUCK, zvyšování - BOOST nebo zvyšování - BUCK-BOOST)

Výhody beztransformátorových napájecích zdrojů a převodníků jsou následující:

• Není nutné transformátor transformovat, konverze se provádí pomocí škrticí klapky a klíčů;

• Důsledkem předchozího jsou malé rozměry zdrojů energie.

Nevýhody:

• Nepřítomnost galvanické izolace v případě poruchy kláves vede ke vzniku napětí primárního zdroje energie. Toto je kritické, zejména pokud jeho roli hraje síť 220 V;

• Nebezpečí úrazu elektrickým proudem v důsledku galvanického spojení;

• Velké rozměry induktoru u výkonných měničů zpochybňují proveditelnost použití této topologie napájecích zdrojů. U srovnatelných indikátorů hmotnosti a velikosti můžete použít transformátor, galvanicky izolovaný převodník.

Hlavní druhy spínacích měničů napětí

V domácí literatuře se často nachází zkratka „IPPN“, což znamená: Pulse Step-down (nebo step-up, nebo both) Voltage Converter

Jako základ lze rozlišit tři základní schémata.

1. IPPN1 - Převodník sestupně, anglická literatura - BUCK DC CONVERTER nebo sestupný pokles.

2. IPPN2 - Boost Converter, anglická literatura - BOOST DC CONVERTER nebo Step-up.

3. IPPN3 - Invertující převodník s možností zvýšení i snížení napětí, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Jak funguje pulzní převodník bucků?

Začněme úvahou o principu fungování prvního schématu - IPPN1.

 

Ve schématu lze rozlišit dva výkonové obvody:

1. „+“ ze zdroje energie je dodáváno prostřednictvím soukromého klíče (tranzistor jakéhokoli typu odpovídající vodivosti) do Lн (akumulační tlumivka), potom proud protéká zátěží do zdroje energie „-“.

2. Druhý obvod je vytvořen z dioda Д, škrticí klapka Lн a připojené zatížení Rн.

Když je klíč zavřený, proud prochází podél primárního obvodu, proud protéká induktorem a energie se hromadí v jeho magnetickém poli. Když vypneme (otevřete) klíč, energie uložená v cívce se rozptýlí do zátěže, zatímco proud protéká druhým obvodem.

Napětí na výstupu (zátěži) takového převodníku je

Uout = Uin * Ku

Ku je konverzní koeficient, který závisí na pracovním cyklu řídicích impulzů výkonového spínače.

Ku = Uout / Uin

Pracovní cyklus „D“ je poměr času, kdy je klíč otevřený do periody PWM. "D" může nabývat hodnot od 0 do 1.

DŮLEŽITÉ: Pro STI1 Ku = D. To znamená, že regulační limity tohoto stabilizátoru jsou přibližně stejné - 0 ... Uout.

Výstupní napětí takového převodníku je polaritou podobné vstupnímu napětí.

Jak pulzní zesilovač napětí zvyšuje

IPPN2 - je schopen zvýšit napětí z napájecího napětí na hodnotu desítekkrát vyšší než je. Schematicky se skládá ze stejných prvků jako předchozí.

Jakýkoli převodník tohoto typu má ve svém složení tři hlavní účinné látky:

• Spravovaný klíč (bipolární, pole, IGBT, tranzistory MOSFET);

• Nekontrolovaný klíč (usměrňovací dioda);

• Kumulativní indukčnost.

Proud vždy protéká indukčností, mění se pouze jeho velikost.

Abychom porozuměli principu fungování tohoto převodníku, je třeba si pamatovat zákon spínání induktoru: „Proud skrz induktor se nemůže okamžitě změnit.“

To je způsobeno jevem, jako je samoindukční EMF nebo counter-EMF. Protože elektromagnetické pole indukčnosti zabraňuje náhlé změně proudu, cívka může být reprezentována jako zdroj energie. Pak v tomto obvodu, když je klíč uzavřen cívkou, začne proudit velký proud, ale, jak bylo řečeno ostře, nemůže se zvyšovat.

Counter-EMF je jev, když se na koncích cívky objeví EMF oproti tomu, co je aplikováno. Pokud to uvedete v diagramu pro přehlednost, budete si muset induktor představit ve formě zdroje EMF.

Číslo „1“ označuje stav obvodu, když je klíč zavřený. Mějte na paměti, že zdroj energie a symbol EMF cívky jsou zapojeny do série s kladnými svorkami, tj. jejich hodnoty EMF se odečítají. V tomto případě indukčnost zabraňuje průchodu elektrického proudu nebo spíše zpomaluje jeho růst. Jak roste, po určitém konstantním časovém intervalu klesá hodnota čítače EMF a zvyšuje se proud přes indukčnost.

Lyrická odbočka:

Hodnota EMF vlastní indukce, stejně jako jakýkoli jiný EMF, se měří ve voltech.

Během této doby protéká hlavní proud po obvodu: klíč napájení-indukčnost-uzavřený.

Když se klíč SA otevře, obvod 2. Proud začíná protékat tímto obvodem: zdroj energie-indukčnost-diodové zatížení. Od zátěžového odporu je často mnohem více než kanálový odpor uzavřeného tranzistoru. V tomto případě opět - proud protékající indukčností se nemůže náhle změnit, indukčnost se vždy snaží udržet směr a velikost proudu, proto se protiopatření EMF objeví znovu, ale v opačné polaritě.

Všimněte si, jak jsou ve druhém diagramu připojeny póly zdroje napájení a zdroje EMF nahrazující cívku. Jsou spojeny v sérii opačnými póly a hodnoty těchto EMF se sčítají.

Tím dochází ke zvýšení napětí.

Během procesu ukládání indukční energie je zátěž poháněna energií, která byla dříve uložena v vyhlazovacím kondenzátoru.

Převodní koeficient v IPPN2 je

Ku = 1 / (1-D)

Jak je vidět z vzorce - čím větší D je pracovní cyklus, tím větší je výstupní napětí. Polarita výstupního výkonu je stejná jako u tohoto typu převodníku.

Jak převádí invertor napětí

Převodník převádějícího napětí je poměrně zajímavé zařízení, protože může pracovat jak v režimu snižování napětí, tak v režimu zesílení. Je však třeba vzít v úvahu, že polarita jeho výstupního napětí je opačná ke vstupu, tj. pozitivní potenciál je na společném vodiči.

Invertování je také patrné ve směru, ve kterém je zapnuta dioda D. Princip činnosti je trochu podobný IPPN2. V době, kdy je klíč T uzavřen, nastává proces akumulace indukční energie, energie ze zdroje se nedostane do zátěže kvůli diodě D. Když je klíč uzavřen, indukční energie se začne rozptýlit v zátěži.

Proud stále protéká indukčností, dochází k EMF samoindukce, nasměrované tak, že na koncích cívky je vytvořena polarita opačná k primárnímu zdroji energie. I.e. ve spojení emitoru tranzistoru (odtok, pokud tranzistor s polním efektem), katoda diody a konec vinutí cívky tvoří negativní potenciál. Na opačném konci je pozitivní.

Převodní faktor IPPN3 se rovná:

Ku = D / (1-D)

Jednoduchými substitucemi faktoru výplně do vzorce určíme, že až do hodnoty D 0,5 tento převodník působí jako převodník dolů a shora - jako převodník nahoru.

Jak ovládat takový převodník?

Je možné popsat všechny možnosti pro konstrukci PWM regulátorů na nekonečně dlouhou dobu, o tom lze napsat několik svazků technické literatury. Chci se omezit na výčet několika jednoduchých možností:

1. Sestavte asymetrický multivibrátorový obvod. Namísto VT3 je v obvodech IPPN připojen tranzistor.

2. Trochu složitější možnost, ale stabilnější z hlediska frekvence PWM na NE555 (kliknutím obrázek zvětšíte).

Proveďte změny na obvodu, VT1 je tranzistor, změníme obvod tak, že na jeho místě je tranzistor IPPN.

3. Možnost použití mikrokontrolér, takže můžete také provádět mnoho dalších funkcí, pro začátečníky budou dobře fungovat Mikrokontroléry AVR. K tomu je nádherný videonávod.

Závěry

Spínací převodníky napětí jsou velmi důležitým tématem v oboru napájecích zdrojů pro elektronická zařízení. Takové obvody se používají všude a v poslední době, s růstem „domácích“, nebo jak je dnes módní nazývat „kutily“ a popularitou webových stránek aliexpress, takové převaděče se staly obzvláště populární a žádané, můžete si objednat hotovou desku s plošnými spoji, která se již stala klasickým převodníkem pro LM2596 a podobně za pouhých pár dolarů, zatímco máte možnost upravit napětí nebo proud, nebo obojí.

 

Další populární deska je mini-360

Můžete si všimnout, že v těchto obvodech není tranzistor. Faktem je, že je zabudován do čipu, kromě toho je zde PWM regulátor, zpětnovazební obvody pro stabilizaci výstupního napětí a další. Tyto obvody však lze zesílit instalací dalšího tranzistoru.

Pokud máte zájem navrhnout obvod pro vaše potřeby, přečtěte si více o konstrukčních poměrech v následující literatuře:

• „Komponenty pro budování zdrojů energie“, Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Skupina společností Symmetron

• "Stabilizované tranzistorové převodníky" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.