Konwertery DC-DC

Do zasilania różnych urządzeń elektronicznych bardzo szeroko stosowane są przetworniki DC / DC. Są stosowane w urządzeniach komputerowych, urządzeniach komunikacyjnych, różnych obwodach sterowania i automatyki itp.

Zasilacze transformatorowe

W tradycyjnych zasilaczach transformatorowych napięcie sieci jest przekształcane przez transformator, najczęściej obniżany, do pożądanej wartości. Podnapięcie rektyfikowany przez mostek diodowy i wygładzone przez filtr kondensatora. W razie potrzeby za prostownikiem umieszcza się półprzewodnikowy stabilizator.

Zasilacze transformatorowe są zwykle wyposażone w stabilizatory liniowe. Istnieją co najmniej dwie zalety takich stabilizatorów: jest to niewielki koszt i niewielka liczba części w uprzęży. Ale zalety te pochłania niska wydajność, ponieważ znaczna część napięcia wejściowego jest wykorzystywana do ogrzewania tranzystora sterującego, co jest całkowicie niedopuszczalne do zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych.

Konwertery DC / DC

Jeśli urządzenie jest zasilane ogniwami galwanicznymi lub bateriami, wówczas konwersja napięcia do pożądanego poziomu jest możliwa tylko za pomocą przetwornic DC / DC.

Pomysł jest dość prosty: stałe napięcie jest z reguły przekształcane na napięcie przemienne z częstotliwością kilkudziesięciu, a nawet setek kiloherców, rośnie (maleje), a następnie jest rektyfikowane i doprowadzane do obciążenia. Takie konwertery są często nazywane impulsami.

Przykładem jest przetwornica podwyższająca napięcie z 1,5 V na 5 V, tylko napięcie wyjściowe z komputera USB. Podobny przetwornik mocy jest sprzedawany na Aliexpress.

Ryc. 1. Konwerter 1,5 V / 5 V.

Przetwornice impulsów są dobre pod tym względem, że mają wysoką sprawność w granicach 60..90%. Kolejną zaletą przetworników impulsowych jest szeroki zakres napięć wejściowych: napięcie wejściowe może być niższe niż napięcie wyjściowe lub znacznie wyższe. Zasadniczo przekształtniki DC / DC można podzielić na kilka grup.

Klasyfikacja konwerterów

Zmniejsz lub buck

Napięcie wyjściowe tych przetworników jest z reguły niższe niż wejście: bez specjalnych strat na ogrzewanie tranzystora sterującego można uzyskać napięcie tylko kilku woltów przy napięciu wejściowym 12 ... 50 V. Prąd wyjściowy takich przekształtników zależy od zapotrzebowania obciążenia, które z kolei determinuje obwody przekształtnika.

Inna angielska nazwa konwertera choppera. Jedną z opcji tłumaczenia tego słowa jest przerywnik. W literaturze technicznej konwerter buck jest czasem nazywany „rozdrabniaczem”. Na razie pamiętaj tylko ten termin.

Przyspieszenie lub usprawnienie terminologii angielskiej

Napięcie wyjściowe tych przetworników jest wyższe niż na wejściu. Na przykład przy napięciu wejściowym 5 V można uzyskać moc wyjściową do 30 V. Ponadto można go stale regulować i stabilizować. Konwertery wzmacniające są często nazywane wzmacniaczami.

Konwertery uniwersalne - SEPIC

Napięcie wyjściowe tych przetworników jest utrzymywane na z góry określonym poziomie, przy czym napięcie wejściowe jest wyższe niż napięcie wejściowe i niższe. Jest zalecany w przypadkach, w których napięcie wejściowe może się znacznie różnić. Na przykład w samochodzie napięcie akumulatora może zmieniać się między 9 ... 14 V, a chcesz uzyskać stabilne napięcie 12 V.

Konwertery odwracające - konwerter odwracający

Główną funkcją tych przetworników jest uzyskanie napięcia wyjściowego o odwrotnej polaryzacji w stosunku do źródła zasilania. Bardzo wygodne, na przykład w przypadkach, gdy wymagane jest odżywianie dwubiegunowe do zasilania wzmacniacza operacyjnego.

Wszystkie te przetworniki mogą być stabilizowane lub niestabilizowane, napięcie wyjściowe może być galwanicznie podłączone do wejścia lub posiadać galwaniczną izolację napięć. Wszystko zależy od konkretnego urządzenia, w którym będzie używany konwerter.

Aby przejść do dalszej dyskusji na temat przetwornic DC / DC, należy przynajmniej zająć się teorią.

Konwerter rozdrabniający - konwerter typu buck

Schemat działania pokazano na poniższym rysunku. Strzałki na drutach wskazują kierunek prądów.

Ryc. 2. Schemat działania stabilizatora rozdrabniacza

Napięcie wejściowe Uin jest przyłożone do filtra wejściowego - kondensatora Cin. Tranzystor VT jest wykorzystywany jako kluczowy element; wykonuje on przełączanie prądu o wysokiej częstotliwości. To może być Tranzystor struktury MOSFET, IGBT albo konwencjonalny tranzystor bipolarny. Oprócz tych szczegółów obwód zawiera diodę rozładowującą VD i filtr wyjściowy - LCout, z którego napięcie wchodzi do obciążenia Rn.

Łatwo zauważyć, że obciążenie jest połączone szeregowo z elementami VT i L. Dlatego obwód jest spójny. Jak powstaje podnapięcie?

Modulacja szerokości impulsu - PWM

Obwód sterujący generuje prostokątne impulsy o stałej częstotliwości lub stałym okresie, co jest zasadniczo tym samym. Impulsy te pokazano na ryc. 3.

Ryc. 3. Impulsy kontrolne

Tutaj t jest czasem impulsu, tranzystor jest otwarty, tp jest czasem pauzy, a tranzystor jest zamknięty. Współczynnik ti / T nazywa się cyklem roboczym cyklu roboczego, oznaczonym literą D i wyrażony w %% lub po prostu liczbowo. Na przykład przy D równym 50% okazuje się, że D = 0,5.

Zatem D może wynosić od 0 do 1. Przy wartości D = 1 tranzystor kluczowy jest w stanie pełnego przewodnictwa, a przy D = 0 w stanie odcięcia, mówiąc wprost, jest zamknięty. Łatwo zgadnąć, że przy D = 50% napięcie wyjściowe będzie równe połowie mocy wejściowej.

Jest całkiem oczywiste, że regulacja napięcia wyjściowego następuje ze względu na zmianę szerokości impulsu sterującego t, a właściwie zmianę współczynnika D. Ta zasada regulacji nazywa się PWM z modulacją szerokości impulsu (PWM). W prawie wszystkich zasilaczach impulsowych właśnie za pomocą PWM stabilizowane jest napięcie wyjściowe.

Na schematach pokazanych na rysunkach 2 i 6 PWM jest „ukryty” w prostokątach z napisem „Obwód sterujący”, który pełni pewne dodatkowe funkcje. Może to być na przykład płynny start napięcia wyjściowego, zdalne włączenie lub ochrona konwertera przed zwarciem.

Zasadniczo konwertery były tak szeroko stosowane, że firmy produkujące komponenty elektroniczne przystosowane do sterowników PWM na każdą okazję. Zasięg jest tak duży, że aby je wymienić, potrzebujesz całej książki. Dlatego nikomu nie przychodzi do głowy, by montować konwertery na elementach dyskretnych lub, jak to często mówią na „sypkim proszku”.

Co więcej, gotowe konwertery o małej pojemności można kupić na Aliexpress lub w serwisie eBay za niewielką cenę. Jednocześnie, aby zainstalować w amatorskim projekcie, wystarczy wlutować przewody wejściowe i wyjściowe do płytki i ustawić wymagane napięcie wyjściowe.

Wróćmy jednak do naszego rysunku 3. W tym przypadku współczynnik D określa, ile czasu będzie otwarte (faza 1) lub zamknięte (faza 2) kluczowy tranzystor. Dla tych dwóch faz możesz wyobrazić sobie diagram na dwóch rysunkach. Ryciny NIE pokazują tych elementów, które nie są używane w tej fazie.

Ryc. 4. Faza 1

Gdy tranzystor jest otwarty, prąd ze źródła zasilania (ogniwo galwaniczne, akumulator, prostownik) przechodzi przez dławik indukcyjny L, obciążenie Rн i kondensator ładujący Cout. W tym przypadku prąd przepływa przez obciążenie, kondensator Cout i cewka indukcyjna L gromadzą energię. Prąd iL stopniowo rośnie, wpływa na wpływ indukcyjności cewki indukcyjnej. Ta faza nazywana jest pompowaniem.

Gdy napięcie na obciążeniu osiągnie ustawioną wartość (określoną przez ustawienia urządzenia sterującego), tranzystor VT zamyka się, a urządzenie przechodzi do drugiej fazy - fazy rozładowania. Zamknięty tranzystor na rysunku wcale nie jest pokazany, jakby nie istniał. Ale to tylko oznacza, że ​​tranzystor jest zamknięty.

Ryc.5. Faza 2

Kiedy tranzystor VT jest zamknięty, nie ma możliwości uzupełnienia energii w cewce, ponieważ źródło zasilania jest odłączone. Indukcyjność L ma tendencję do zapobiegania zmianie wielkości i kierunku prądu (samoindukcji) przepływającego przez uzwojenie cewki indukcyjnej.

Dlatego prąd nie może zatrzymać się natychmiast i zamyka się przez obwód obciążenia diodowego. Z tego powodu dioda VD nazywana jest bitem. Z reguły jest to szybka dioda Schottky'ego. Po okresie kontrolnym fazy 2 obwód przełącza się na fazę 1, proces powtarza się ponownie. Maksymalne napięcie na wyjściu rozważanego obwodu może być równe wartości wejściowej i nie więcej. Aby uzyskać napięcie wyjściowe większe niż napięcie wejściowe, stosuje się przetworniki podwyższające napięcie.

Należy zauważyć, że w rzeczywistości nie wszystko jest tak proste, jak napisano powyżej: zakłada się, że wszystkie elementy są idealne, tj. włączanie i wyłączanie następuje bez opóźnień, a aktywny opór wynosi zero. Przy praktycznym wytwarzaniu takich schematów należy wziąć pod uwagę wiele niuansów, ponieważ wiele zależy od jakości użytych komponentów i pasożytniczej pojemności instalacji. Tylko o tak prostym szczególe, jak przepustnica (cóż, tylko cewka z drutu!), Możesz napisać więcej niż jeden artykuł.

Na razie wystarczy przywołać samą wartość indukcyjności, która określa dwa tryby pracy przerywacza. Przy niewystarczającej indukcyjności przekształtnik będzie pracował w trybie prądu nieciągłego, co jest całkowicie nie do przyjęcia dla źródeł zasilania.

Jeśli indukcyjność jest wystarczająco duża, wówczas praca odbywa się w trybie prądu ciągłego, co pozwala na zastosowanie filtrów wyjściowych w celu uzyskania stałego napięcia z dopuszczalnym poziomem tętnienia. W trybie prądu ciągłego działają również przetworniki podwyższające napięcie, które zostaną opisane poniżej.

Aby zwiększyć wydajność, diodę wyładowczą VD zastępuje tranzystor MOSFET, który w odpowiednim momencie otwiera obwód sterujący. Takie konwertery nazywane są synchronicznymi. Ich użycie jest uzasadnione, jeżeli moc konwertera jest wystarczająco duża.

Konwertery podwyższające lub podwyższające

Przetworniki podwyższające są stosowane głównie do zasilania niskonapięciowego, na przykład od dwóch do trzech akumulatorów, a niektóre elementy wymagają 12 ... 15 V przy niskim zużyciu prądu. Dość często konwerter boostów jest krótko i wyraźnie nazywany słowem „booster”.

Ryc. 6. Schemat działania konwertera doładowania

Napięcie wejściowe Uin jest przykładane do filtra wejściowego Cin i doprowadzane do połączenia szeregowego induktor L i tranzystor przełączający VT. Dioda VD jest podłączona do punktu połączenia cewki i drenu tranzystora. Obciążenie Rn i kondensator bocznikujący Cout są podłączone do drugiego zacisku diody.

Tranzystor VT jest sterowany przez obwód sterujący, który generuje stabilny sygnał sterujący częstotliwości z regulowanym cyklem roboczym D, w taki sam sposób, jak opisano powyżej w opisie obwodu przerywacza (ryc. 3). Dioda VD we właściwym czasie blokuje obciążenie z kluczowego tranzystora.

Gdy kluczowy tranzystor jest otwarty, prawostronne wyjście cewki L jest podłączone do ujemnego bieguna zasilacza Uin. Prąd rosnący (wpływ indukcyjności) ze źródła zasilania przepływa przez cewkę i otwarty tranzystor, energia jest gromadzona w cewce.

W tym momencie dioda VD blokuje obciążenie i kondensator wyjściowy z obwodu klucza, zapobiegając w ten sposób rozładowaniu kondensatora wyjściowego przez otwarty tranzystor. Obciążenie w tym momencie jest zasilane energią zgromadzoną w kondensatorze Cout. Oczywiście napięcie na kondensatorze wyjściowym spada.

Gdy tylko napięcie wyjściowe stanie się nieco niższe niż wartość ustawiona (określona przez ustawienia obwodu sterującego), kluczowy tranzystor VT zamyka się, a energia zgromadzona w cewce ładuje kondensator Cout przez diodę VD, która zasila obciążenie. W tym przypadku indukcyjna indukcja elektromagnetyczna cewki L jest dodawana do napięcia wejściowego i przenoszona na obciążenie, dlatego napięcie wyjściowe jest większe niż napięcie wejściowe.

Kiedy napięcie wyjściowe osiągnie ustawiony poziom stabilizacji, obwód sterujący otwiera tranzystor VT, a proces powtarza się z fazy magazynowania energii.

Konwertery uniwersalne - SEPIC (konwerter pierwotny z pojedynczym końcem lub konwerter z asymetrycznie obciążoną indukcyjnością pierwotną).

Takie przetworniki są stosowane głównie, gdy obciążenie ma małą moc, a napięcie wejściowe zmienia się w zależności od wyjścia w górę lub w dół.

Ryc. 7. Schemat działania konwertera SEPIC

Bardzo podobny do obwodu przetwornika podwyższającego pokazanego na rysunku 6, ale ma dodatkowe elementy: kondensator C1 i cewkę L2. To właśnie te elementy zapewniają działanie konwertera w trybie podnapięciowym.

Konwertery SEPIC stosuje się w przypadkach, w których napięcie wejściowe jest bardzo zróżnicowane. Przykładem jest regulator napięcia przetwornika podwyższającego / zmniejszającego napięcie od 4 do 35 V do 1,23 V do 32 V. Pod tą nazwą konwerter jest sprzedawany w chińskich sklepach, których obwód pokazano na rysunku 8 (kliknij zdjęcie, aby powiększyć).

Ryc. 8. Schemat konwertera SEPIC

Ryc. 9 pokazuje wygląd tablicy z oznaczeniem głównych elementów.

Ryc. 9. Wygląd konwertera SEPIC

Rysunek pokazuje główne części zgodnie z rysunkiem 7. Należy zwrócić uwagę na obecność dwóch cewek L1 L2. Na podstawie tej funkcji można stwierdzić, że jest to właśnie konwerter SEPIC.

Napięcie wejściowe płyty może mieścić się w zakresie 4 ... 35 V. W takim przypadku napięcie wyjściowe można regulować w zakresie 1,23 ... 32 V. Częstotliwość robocza konwertera wynosi 500 kHz, a przy niewielkich rozmiarach 50 x 25 x 12 mm płyta zapewnia moc do 25 watów. Maksymalny prąd wyjściowy do 3A.

Ale tutaj należy zwrócić uwagę. Jeśli napięcie wyjściowe jest ustawione na 10 V, wówczas prąd wyjściowy nie może być większy niż 2,5 A (25 W). Przy napięciu wyjściowym 5 V i maksymalnym prądzie 3 A moc będzie wynosić tylko 15 W. Najważniejsze tutaj nie jest przesadzanie: albo nie przekraczaj maksymalnej dopuszczalnej mocy, ani nie przekraczaj dopuszczalnego prądu.

Zobacz także: Przełączanie zasilaczy - zasada działania

Boris Aladyshkin