Convertisseurs de tension d'impulsion sans transformateur simples

De nombreux jambons débutants ont du mal à déterminer le type d'alimentation, mais ce n'est pas si difficile. Les principales méthodes de conversion de tension consistent à utiliser l'une des deux options de circuit:

• Transformateur;

• Alimentations sans transformateur.

À leur tour, les transformateurs diffèrent dans le type de circuit:

• Réseau, avec un transformateur fonctionnant à une fréquence de 50 Hz;

• Impulsion, avec un transformateur fonctionnant à hautes fréquences (dizaines de milliers de Hz).

Les circuits d'impulsion des alimentations peuvent augmenter l'efficacité globale du produit final, en évitant les pertes statiques sur les stabilisateurs linéaires et autres éléments.

Circuits sans transformateur

S'il y a un besoin d'alimentation à partir d'une alimentation domestique 220 V, les appareils les plus simples peuvent être allumés à partir d'alimentations à l'aide d'éléments de ballast pour réduire la tension. Un exemple largement connu d'une telle source d'alimentation est un circuit de condensateur à ballast.

Cependant, il existe un certain nombre de pilotes avec Contrôleur PWM et une clé d'alimentation pour construire un convertisseur abaisseur d'impulsions sans transformateur, ceux-ci sont très courants dans Ampoules LED et d'autres technologies.

Dans le cas d'une alimentation à partir d'une source de courant continu, par exemple des batteries ou d'autres batteries galvaniques, utilisez:

• Stabilisateur de tension linéaire (un stabilisateur intégré de type KREN ou L78xx avec ou sans transistor de traversée, un stabilisateur paramétrique d'une diode Zener et un transistor)

• Convertisseur d'impulsions (abaisseur - BUCK, élévateur - BOOST, ou élévateur - BUCK-BOOST)

Les avantages des alimentations et convertisseurs sans transformateur sont les suivants:

• Il n'est pas nécessaire d'enrouler le transformateur, la conversion est effectuée par l'accélérateur et les clés;

• Une conséquence de ce qui précède sont les petites dimensions des sources d'alimentation.

Inconvénients:

• L'absence d'isolation galvanique, en cas de dysfonctionnement des touches, entraîne l'apparition de tension de la source d'alimentation primaire. Ceci est critique surtout si son rôle est joué par un réseau 220 V;

• Risque de choc électrique dû au couplage galvanique;

• Les grandes dimensions de l'inductance sur les convertisseurs haute puissance mettent en doute la faisabilité de l'utilisation de cette topologie des alimentations. Avec des indicateurs de poids et de taille comparables, vous pouvez utiliser un transformateur à convertisseur à isolation galvanique.

Les principales variétés de convertisseurs de tension de commutation

Dans la littérature nationale, l'abréviation "IPPN" est souvent trouvée, ce qui signifie: Convertisseur de tension abaisseur d'impulsions (ou élévateur, ou les deux)

On peut distinguer trois schémas de base.

1. IPPN1 - Convertisseur abaisseur, dans la littérature anglaise - BUCK DC CONVERTER ou Step-down.

2. IPPN2 - Boost converter, dans la littérature anglaise - BOOST DC CONVERTER ou Step-up.

3. IPPN3 - Convertisseur inverseur avec possibilité d'augmentation et de diminution de la tension, CONVERTISSEUR BUCK-BOOST DC.

Comment fonctionne un convertisseur abaisseur pulsé?

Commençons par considérer le principe de fonctionnement du premier schéma - IPPN1.

 

Dans le schéma, deux circuits de puissance peuvent être distingués:

1. "+" de la source d'alimentation est fourni via une clé privée (transistor de tout type de conductivité correspondante) à Lн (inductance de stockage), puis le courant passe à travers la charge vers la source d'alimentation "-".

2. Le deuxième circuit est formé de diode Д, étranglement Lн et charge connectée Rн.

Lorsque la clé est fermée, le courant passe le long du circuit primaire, le courant traverse l'inductance et l'énergie s'accumule dans son champ magnétique. Lorsque nous éteignons (ouvrons) la clé, l'énergie stockée dans la bobine est dissipée dans la charge, tandis que le courant circule dans le deuxième circuit.

La tension à la sortie (charge) d'un tel convertisseur est

Uout = Uin * Ku

Ku est le coefficient de conversion, qui dépend du rapport cyclique des impulsions de commande de l'interrupteur d'alimentation.

Ku = Uout / Uin

Le rapport cyclique "D" est le rapport entre le moment où la clé est ouverte et la période PWM. "D" peut prendre des valeurs de 0 à 1.

IMPORTANT: Pour STI1 Ku = D. Cela signifie que les limites de régulation de ce stabilisateur sont approximativement égales - 0 ... Uout.

La tension de sortie d'un tel convertisseur est similaire en polarité à la tension d'entrée.

Comment fonctionne un convertisseur de tension boost boost

IPPN2 - est capable d'augmenter la tension de la tension d'alimentation à une valeur plusieurs fois supérieure à celle-ci. Schématiquement, il se compose des mêmes éléments que le précédent.

Tout convertisseur de ce type a dans sa composition trois principaux ingrédients actifs:

• Clé gérée (bipolaire, champ, Transistors IGBT, MOSFET);

• Clé non contrôlée (diode de redressement);

• Inductance cumulative.

Le courant passe toujours par l'inductance, seule son amplitude change.

Afin de comprendre le principe de fonctionnement de ce convertisseur, vous devez vous rappeler la loi de commutation de l'inductance: "Le courant traversant l'inductance ne peut pas changer instantanément."

Cela est dû à un phénomène tel que les CEM d'auto-induction ou les contre-CEM. Étant donné que le champ électromagnétique de l'inductance empêche un changement brusque de courant, la bobine peut être représentée comme une source d'alimentation. Ensuite, dans ce circuit, lorsque la clé se ferme à travers la bobine, un grand courant commence à circuler, mais, comme cela a été dit clairement, il ne peut pas augmenter.

La contre-EMF est un phénomène lorsqu'aux extrémités de la bobine un EMF apparaît en face de ce qui est appliqué. Si vous le présentez dans le diagramme pour plus de clarté, vous devrez imaginer l'inducteur sous la forme d'une source de CEM.

Le chiffre «1» indique l'état du circuit lorsque la clé est fermée. Veuillez noter que la source d'alimentation et les bobines de symbole EMF sont connectées en série avec les bornes positives, c'est-à-dire leurs valeurs EMF sont soustraites. Dans ce cas, l'inductance empêche le passage du courant électrique, ou plutôt ralentit sa croissance. Au fur et à mesure de sa croissance, après un certain intervalle de temps constant, la valeur de la contre-EMF diminue et le courant traversant l'inductance augmente.

Digression lyrique:

La valeur de l'EMF de l'auto-induction, comme tout autre EMF, est mesurée en Volts.

Pendant cette période de temps, le courant principal circule le long du circuit: source d'alimentation-inductance-clé fermée.

Lorsque la clé SA s'ouvre, le circuit 2. Le courant commence à circuler le long d'un tel circuit: alimentation-inductance-diode-charge. Depuis la résistance de charge, souvent bien plus que la résistance de canal d'un transistor fermé. Dans ce cas, encore une fois - le courant traversant l'inductance ne peut pas changer brusquement, l'inductance cherche toujours à maintenir la direction et l'amplitude du courant, par conséquent, le contre-EMF apparaît à nouveau, mais en polarité inversée.

Remarquez comment dans le deuxième diagramme les pôles de la source d'alimentation et de la source EMF remplaçant la bobine sont connectés. Ils sont connectés en série par des pôles opposés, et les valeurs de ces champs électromagnétiques sont additionnées.

Ainsi, une augmentation de la tension se produit.

Pendant le processus de stockage de l'énergie d'inductance, la charge est alimentée par l'énergie qui était précédemment stockée dans le condensateur de lissage.

Le coefficient de conversion dans IPPN2 est

Ku = 1 / (1-D)

Comme le montre la formule - plus D est grand, plus la tension de sortie est élevée. La polarité de la puissance de sortie est la même que l'entrée pour ce type de convertisseur.

Comment fonctionne le convertisseur de tension inverseuse

Le convertisseur de tension inverseuse est un appareil assez intéressant, car il peut fonctionner à la fois en mode abaissement de tension et en mode boost. Cependant, il convient de considérer que la polarité de sa tension de sortie est opposée à l'entrée, c'est-à-dire le potentiel positif est sur le fil commun.

L'inversion est également perceptible dans le sens de mise sous tension de la diode D. Le principe de fonctionnement est un peu similaire à IPPN2. Au moment où la clé T est fermée, le processus d'accumulation d'énergie d'inductance se produit, la puissance de la source n'entre pas dans la charge en raison de la diode D. Lorsque la clé est fermée, l'énergie d'inductance commence à se dissiper dans la charge.

Le courant continue de circuler à travers l'inductance, une EMF d'auto-induction se produit, dirigée de telle manière qu'une polarité opposée à la source d'alimentation principale se forme aux extrémités de la bobine. C'est-à-dire à la jonction de l'émetteur du transistor (drain, si transistor à effet de champ), la cathode de la diode et l'extrémité de l'enroulement de la bobine forment un potentiel négatif. À l'autre extrémité, respectivement, est positive.

Le facteur de conversion IPPN3 est égal à:

Ku = D / (1-D)

Par de simples substitutions du facteur de remplissage dans la formule, nous déterminons que jusqu'à une valeur de D de 0,5, ce convertisseur agit comme un convertisseur abaisseur, et par dessus - comme un convertisseur haussier.

Comment contrôler un tel convertisseur?

Il est possible de décrire toutes les options pour construire des contrôleurs PWM pendant une durée infiniment longue; plusieurs volumes de littérature technique peuvent être écrits à ce sujet. Je veux me limiter à énumérer quelques options simples:

1. Assemblez un circuit multivibrateur asymétrique. Au lieu de VT3, un transistor est connecté dans les circuits IPPN.

2. Une option un peu plus compliquée, mais plus stable en termes de fréquence, est PWM sur NE555 (cliquez sur l'image pour agrandir).

Faites des changements sur le circuit, VT1 est un transistor, nous changeons le circuit pour qu'à sa place il y ait un transistor IPPN.

3. Option d'utilisation microcontrôleur, de sorte que vous pouvez également faire de nombreuses fonctions supplémentaires, pour les débutants, elles fonctionneront bien Microcontrôleurs AVR. Il y a un merveilleux tutoriel vidéo à ce sujet.

Conclusions

Les convertisseurs de tension de commutation sont un sujet très important dans l'industrie des alimentations pour équipements électroniques. De tels circuits sont utilisés partout, et récemment, avec la croissance du «fait maison» ou comme il est maintenant à la mode d'appeler «DIY» et la popularité du site Web aliexpress, ces convertisseurs sont devenus particulièrement populaires et en demande, vous pouvez commander un circuit imprimé prêt à l'emploi qui est déjà devenu un convertisseur classique pour LM2596 et similaires pour seulement quelques dollars, tandis que vous avez la possibilité d'ajuster la tension ou le courant, ou les deux.

 

Une autre planche populaire est la mini-360

Vous remarquerez peut-être qu'il n'y a pas de transistor dans ces circuits. Le fait est qu'il est intégré à la puce, sauf qu'il y a un contrôleur PWM, des circuits de rétroaction pour stabiliser la tension de sortie, etc. Cependant, ces circuits peuvent être amplifiés en installant un transistor supplémentaire.

Si vous souhaitez concevoir un circuit adapté à vos besoins, vous pouvez en savoir plus sur les ratios de conception dans la littérature suivante:

• «Composants pour la construction de sources d'énergie», Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Convertisseurs à transistors stabilisés" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.