DC-DC преобразуватели

За захранване на различно електронно оборудване много често се използват DC / DC преобразуватели. Използват се в изчислителни устройства, комуникационни устройства, различни вериги за управление и автоматизация и др.

Трансформаторни захранвания

При традиционните захранващи трансформатори напрежението на мрежата се преобразува с помощта на трансформатор, най-често понижен, до желаната стойност. намалено напрежение поправен чрез диоден мост и изгладена от кондензаторен филтър. Ако е необходимо, след изправителя се поставя полупроводников стабилизатор.

Трансформаторните захранващи устройства обикновено са оборудвани с линейни стабилизатори. Има поне две предимства на такива стабилизатори: това е малък разход и малък брой части в сбруята. Но тези предимства се консумират с ниска ефективност, тъй като значителна част от входното напрежение се използва за загряване на контролния транзистор, което е напълно неприемливо за захранване на преносими електронни устройства.

DC / DC преобразуватели

Ако оборудването се захранва от галванични клетки или батерии, тогава преобразуването на напрежението до желаното ниво е възможно само с помощта на DC / DC преобразуватели.

Идеята е доста проста: постоянно напрежение се преобразува в променливо напрежение, като правило, с честота от няколко десетки или дори стотици килогерц, то се повишава (намалява), след което се изправя и подава към товара. Такива преобразуватели често се наричат ​​импулсни.

Пример е усилващият преобразувател от 1.5V до 5V, точно изходното напрежение на компютърен USB. Подобен преобразувател на мощност се продава на Aliexpress.

Фиг. 1. 1.5V / 5V преобразувател

Импулсните преобразуватели са добри с това, че имат висока ефективност, в рамките на 60..90%. Друго предимство на импулсните преобразуватели е широк диапазон на входните напрежения: входното напрежение може да бъде по-ниско от изходното напрежение или много по-високо. По принцип DC / DC преобразувателите могат да бъдат разделени на няколко групи.

Класификация на преобразувателите

Намаляване или намаление

Изходното напрежение на тези преобразуватели като правило е по-ниско от входното: без специални загуби за загряване на управляващия транзистор можете да получите напрежение от само няколко волта при входно напрежение от 12 ... 50V. Изходният ток на такива преобразуватели зависи от търсенето на товара, което от своя страна определя схемата на преобразувателя.

Друго английско наименование за преобразувателя на едро на чопър. Една от опциите за превод на тази дума е прекъсвач. В техническата литература бункерният конвертор понякога се нарича "чопър". За сега просто запомнете този термин.

Засилване или увеличаване на английската терминология

Изходното напрежение на тези преобразуватели е по-високо от входното. Например с входно напрежение от 5 V може да се получи изход до 30 V, освен това той може да бъде постоянно регулиран и стабилизиран. Boost конверторите често се наричат ​​усилватели.

Универсални преобразуватели - SEPIC

Изходното напрежение на тези преобразуватели се поддържа на предварително определено ниво с входно напрежение, по-високо от входното и по-ниско. Препоръчва се в случаите, когато входното напрежение може да варира значително. Например в автомобил напрежението на батерията може да варира между 9 ... 14V и искате да получите стабилно напрежение от 12V.

Инвертиращи преобразуватели - инвертиращ преобразувател

Основната функция на тези преобразуватели е да получат изходното напрежение с обратна полярност спрямо източника на енергия. Много удобно в случаите, когато се изисква биполярно хранене, например за захранване на усилвателя.

Всички тези преобразуватели могат да бъдат стабилизирани или нестабилизирани, изходното напрежение може да бъде галванично свързано към входа или да има галванична изолация на напрежения. Всичко зависи от конкретното устройство, в което ще се използва конверторът.

За да се пристъпи към по-нататъшното обсъждане на DC / DC преобразуватели, трябва поне да се занимаваме с теорията.

Chopper down converter - преобразувател на тип долар

Функционалната му схема е показана на фигурата по-долу. Стрелките върху проводниците показват посоката на токовете.

Фиг. 2. Функционална схема на стабилизатора на чопъра

Входното напрежение Uin се прилага към входния филтър - кондензатор Cin. VT транзисторът се използва като ключов елемент, той осъществява високочестотен комутационен ток. Може да бъде MOSFET структурен транзистор, IGBT или конвенционален биполярен транзистор, В допълнение към тези подробности, веригата съдържа разреден диод VD и изходен филтър - LCout, от който напрежението навлиза в товара Rн.

Лесно е да се види, че натоварването е свързано последователно с елементите VT и L. Следователно веригата е последователна. Как се получава под напрежение?

Модулна широчина на импулса - ШИМ

Управляващата верига генерира правоъгълни импулси с постоянна честота или постоянен период, което по същество е едно и също нещо. Тези импулси са показани на фигура 3.

Фиг. 3. Контролирайте импулсите

Тук t е времето на импулса, транзисторът е отворен, tp е времето за пауза и транзисторът е затворен. Съотношението ti / T се нарича работен цикъл на работния цикъл, обозначен с буквата D и се изразява в %% или просто в числа. Например, при D равно на 50%, се оказва, че D = 0,5.

По този начин D може да варира от 0 до 1. Със стойност на D = 1 ключовият транзистор е в състояние на пълна проводимост, а при D = 0 в състояние на прекъсване, просто казано, той е затворен. Лесно е да се предположи, че при D = 50% изходното напрежение ще бъде равно на половината на входа.

Съвсем очевидно е, че регулирането на изходното напрежение се случва поради промяна в ширината на управляващия импулс t и всъщност промяна в коефициента D. Този принцип на регулиране се нарича импулсна ширина модулирана ШИМ (PWM). Почти всички комутационни захранващи устройства, именно с помощта на ШИМ изходното напрежение се стабилизира.

На диаграмите, показани на фигури 2 и 6, ШИМ е „скрит“ в правоъгълниците с надпис „Управляваща верига“, който изпълнява някои допълнителни функции. Например, това може да бъде плавен старт на изходното напрежение, дистанционно включване или защита на преобразувателя срещу късо съединение.

По принцип преобразувателите бяха толкова широко използвани, че компаниите, произвеждащи електронни компоненти, подредени за PWM контролери за всички случаи. Обхватът е толкова голям, че само за да ги изброите, ще ви трябва цяла книга. Следователно на никого не му хрумва да сглобява преобразуватели върху отделни елементи или както често казват на „насипен прах“.

Освен това, готови конвертори с малък капацитет могат да бъдат закупени в Aliexpress или Ebay за малка цена. В същото време, за инсталиране в аматьорски дизайн, достатъчно е да спойкате входните и изходните проводници към платката и да зададете необходимото изходно напрежение.

Но да се върнем към нашата цифра 3. В този случай коефициентът D определя колко време ще бъде отворен (фаза 1) или затворен (фаза 2) ключов транзистор, За тези две фази можете да си представите диаграмата на две фигури. Цифрите НЕ показват онези елементи, които не се използват в тази фаза.

Фиг. 4 Фаза 1

Когато транзисторът е отворен, токът от източника на енергия (галванична клетка, батерия, изправител) преминава през индуктивен дросел L, товар Rн и заряден кондензатор Cout. В същото време през товара тече ток, кондензаторът Cout и индукторът L натрупват енергия. Токът iL постепенно се увеличава, влияе ефектът от индуктивността на индуктора. Тази фаза се нарича изпомпване.

След като напрежението при натоварване достигне зададената стойност (определена от настройките на устройството за управление), транзисторът VT се затваря и устройството се премества във втората фаза - фазата на разреждане. Затвореният транзистор на фигурата изобщо не е показан, сякаш не съществува. Но това означава само, че транзисторът е затворен.

Фиг. 5 Фаза 2

Когато транзисторът VT е затворен, в индуктора няма презареждане на енергия, тъй като източникът на захранване е изключен. Индуктивността L има за цел да предотврати промяна в величината и посоката на тока (самоиндукция), протичащ през намотката на индуктора.

Следователно токът не може да спре моментално и се затваря през веригата на диодно зареждане. Поради това VD диод се нарича бит. Като правило това е високоскоростен диод Шотки. След периода на управление на фаза 2, веригата преминава към фаза 1, процесът се повтаря отново. Максималното напрежение на изхода на разглежданата схема може да бъде равно на входа и не повече. За да се получи изходно напрежение, по-голямо от входното напрежение, се използват усилвателни преобразуватели.

Трябва да се отбележи, че всъщност не всичко е толкова просто, както е написано по-горе: приема се, че всички компоненти са перфектни, т.е. включването и изключването става без забавяне, а активното съпротивление е нула. При практическото производство на такива схеми трябва да се вземат предвид много нюанси, тъй като много зависи от качеството на използваните компоненти и паразитния капацитет на инсталацията. Само за такъв прост детайл като дросел (добре, само намотка от тел!), Можете да напишете повече от една статия.

Засега е необходимо само да си припомним стойността на индуктивността, която определя два режима на работа на чопъра. При недостатъчна индуктивност преобразувателят ще работи в режим на прекъснат ток, което е напълно неприемливо за източници на енергия.

Ако индуктивността е достатъчно голяма, тогава работата се извършва в режим на непрекъснат ток, което позволява използването на изходните филтри за получаване на постоянно напрежение с приемливо ниво на пулсации. В режим на непрекъснат ток работят и увеличаващи се преобразуватели, които ще бъдат описани по-долу.

За известно увеличение на ефективността, диодът на VD разряд се заменя с MOSFET транзистор, който се отваря в точното време от управляващата верига. Такива преобразуватели се наричат ​​синхронни. Използването им е оправдано, ако мощността на преобразувателя е достатъчно голяма.

Увеличаване или увеличаване на усилвателните конвертори

Усилвателните преобразуватели се използват главно за захранване с ниско напрежение, например от две до три батерии, а някои компоненти изискват 12 ... 15 V с ниска консумация на ток. Доста често преобразувателят за усилване се нарича кратко и ясно думата „усилвател“.

Фиг. 6 Функционална схема на усилващия конвертор

Входното напрежение Uin се прилага към входния филтър Cin и се прилага към свързаната серия индуктор L и превключващ транзистор VT. Диоден VD е свързан към точката на свързване на намотката и източването на транзистора. Към другия извод на диода са свързани товар Rn и кондензатор на шунтиращ кондензатор.

Транзисторът VT се управлява от управляваща верига, която генерира стабилен сигнал за регулиране на честотата с регулируем работен цикъл D, по същия начин, както е описано по-горе в описанието на веригата за подреждане (фиг. 3). VD диодът в точното време блокира натоварването от ключовия транзистор.

Когато ключовият транзистор е отворен, десният изход на намотката L е свързан към отрицателния полюс на захранващото устройство Uin. Нарастващ ток (ефектът на индуктивността влияе) от източника на енергия преминава през намотката и отворен транзистор, в намотката се натрупва енергия.

По това време VD диодът блокира натоварването и изходния кондензатор от ключовата верига, като по този начин предотвратява изхвърлянето на изходния кондензатор през отворен транзистор. Натоварването в този момент се захранва от енергията, съхранявана в кондензатора Cout. Естествено напрежението през изходния кондензатор пада.

Веднага щом изходното напрежение стане малко по-ниско от определеното (определено от настройките на управляващата верига), ключовият транзистор VT се затваря и съхраняваната в индуктора енергия презарежда кондензатора Cout през диода VD, който захранва товара. В този случай ЕМП на самоиндукция на намотката L се добавя към входното напрежение и се прехвърля към товара, следователно, изходното напрежение е по-голямо от входното напрежение.

Когато изходното напрежение достигне зададеното ниво на стабилизация, управляващата верига отваря транзистора VT и процесът се повтаря от фазата на съхранение на енергия.

Универсални преобразуватели - SEPIC (конвертор за първичен индуктор с единичен завършек или преобразувател с асиметрично натоварена първична индуктивност).

Такива преобразуватели се използват главно, когато натоварването има ниска мощност, а входното напрежение се променя спрямо изхода нагоре или надолу.

Фиг. 7 Функционална схема на SEPIC конвертора

Много подобна на веригата на усилващия конвертор, показана на фигура 6, но има допълнителни елементи: кондензатор С1 и намотка L2. Именно тези елементи осигуряват работата на преобразувателя в режим на намаляване на напрежението.

SEPIC преобразуватели се използват в случаите, когато входното напрежение варира значително. Пример е 4V-35V до 1.23V-32V Boost Buck Voltage Steep Up напрежение стъпка нагоре / надолу преобразувател. Именно под това име се продава конвертор в китайски магазини, чиято схема е показана на фигура 8 (щракнете върху снимката, за да я увеличите).

Фиг. 8 Принципна схема на преобразувателя SEPIC

Фигура 9 показва външния вид на дъската с обозначението на основните елементи.

Фиг. 9 Външен вид на SEPIC конвертор

Фигурата показва основните части в съответствие с фигура 7. Обърнете внимание на наличието на две намотки L1 L2. Въз основа на тази характеристика може да се определи, че това е точно SEPIC конвертора.

Входното напрежение на платката може да бъде в диапазона от 4 ... 35V. В този случай изходното напрежение може да се регулира в рамките на 1,23 ... 32V. Работната честота на преобразувателя е 500KHz.С малък размер 50 х 25 х 12 мм платката осигурява мощност до 25 вата. Максимален изходен ток до 3A.

Но тук трябва да се направи забележка. Ако изходното напрежение е настроено на 10V, токът на изхода не може да бъде по-голям от 2,5A (25W). При изходно напрежение 5V и максимален ток 3A, мощността ще бъде само 15W. Основното тук е да не прекалявате: или не надвишавайте максималната допустима мощност, или не надхвърляйте допустимия ток.

Вижте също: Превключване на захранващи устройства - принцип на работа

Борис Аладишкин