Proste beztransformatorowe przekształtniki napięcia impulsowego

Wiele początkujących szynek ma trudności z określeniem rodzaju zasilania, ale nie jest to takie trudne. Głównymi metodami konwersji napięcia jest użycie jednej z dwóch opcji obwodów:

• Transformator;

• Beztransformatorowe zasilacze.

Z kolei transformatory różnią się rodzajem obwodu:

• Sieć z transformatorem pracującym na częstotliwości 50 Hz;

• Puls, z transformatorem pracującym na wysokich częstotliwościach (dziesiątki tysięcy Hz).

Obwody impulsowe zasilaczy mogą zwiększyć ogólną wydajność produktu końcowego, unikając strat statycznych na stabilizatorach liniowych i innych elementach.

Obwody beztransformatorowe

Jeśli zachodzi potrzeba zasilania z domowego zasilacza 220 V, najprostsze urządzenia można włączyć z zasilaczy za pomocą elementów balastowych w celu obniżenia napięcia. Powszechnie znanym przykładem takiego źródła zasilania jest obwód kondensatora balastowego.

Istnieje jednak wiele sterowników z wbudowanym Kontroler PWM i klucz zasilania do budowy beztransformatorowego konwertera impulsów buck, są one bardzo powszechne Żarówki LED i inne technologie.

W przypadku zasilania ze źródła prądu stałego, na przykład baterii lub innych baterii galwanicznych, użyj:

• Liniowy stabilizator napięcia (integralny stabilizator typu KREN lub L78xx z tranzystorem przejściowym lub bez niego, parametryczny stabilizator z diody Zenera i tranzystora)

• Przetwornik impulsów (step-down - BUCK, step-up - BOOST lub step-up - BUCK-BOOST)

Zalety beztransformatorowych zasilaczy i przetworników są następujące:

• Nie ma potrzeby uzwojenia transformatora, konwersja odbywa się za pomocą przepustnicy i kluczyków;

• Konsekwencją poprzednich są małe wymiary źródeł zasilania.

Wady:

• Brak izolacji galwanicznej w przypadku wadliwego działania kluczy prowadzi do pojawienia się napięcia pierwotnego źródła zasilania. Jest to szczególnie ważne, jeśli jego rolę odgrywa sieć 220 V.

• Niebezpieczeństwo porażenia prądem na skutek sprzężenia galwanicznego;

• Duże wymiary cewki indukcyjnej w przetwornicach dużej mocy podają w wątpliwość wykonalność zastosowania tej topologii zasilaczy. Przy porównywalnych wskaźnikach masy i wielkości można zastosować transformator, izolowany galwanicznie konwerter.

Główne odmiany przełączających przetwornic napięcia

W literaturze krajowej często znajduje się skrót „IPPN”, który oznacza: Przetwornica napięcia obniżająca (lub podwyższająca lub obie)

Jako podstawę można wyróżnić trzy podstawowe schematy.

1. IPPN1 - Konwerter obniżający, w literaturze angielskiej - BUCK DC CONVERTER lub Step-down.

2. IPPN2 - przetwornik podwyższający, w literaturze angielskiej - BOOST DC CONVERTER lub Step-up.

3. IPPN3 - Przetwornica odwracająca z możliwością zarówno zwiększania, jak i zmniejszania napięcia, PRZETWORNIK DC BUCK-BOOST.

Jak działa pulsujący konwerter złotówki?

Zacznijmy od rozważenia zasady działania pierwszego schematu - IPPN1.

 

Na schemacie można wyróżnić dwa obwody mocy:

1. „+” ze źródła zasilania jest doprowadzane przez klucz prywatny (tranzystor dowolnego rodzaju odpowiedniego przewodnictwa) do Lн (dławik magazynujący), a następnie prąd przepływa przez obciążenie do źródła zasilania „-”.

2. Drugi obwód jest utworzony z dioda Ę, przepustnica Lн i przyłączony ładunek Rн.

Gdy klucz jest zamknięty, prąd przepływa wzdłuż obwodu pierwotnego, prąd przepływa przez cewkę, a energia gromadzi się w jej polu magnetycznym. Kiedy wyłączamy (otwieramy) klucz, energia zgromadzona w cewce jest rozpraszana do obciążenia, podczas gdy prąd przepływa przez drugi obwód.

Napięcie na wyjściu (obciążeniu) takiego przetwornika wynosi

Uout = Uin * Ku

Ku jest współczynnikiem konwersji, który zależy od cyklu pracy impulsów sterujących przełącznika mocy.

Ku = Uout / Uin

Cykl pracy „D” jest stosunkiem czasu, w którym klucz jest otwarty do okresu PWM. „D” może przyjmować wartości od 0 do 1.

WAŻNE: dla STI1 Ku = D. Oznacza to, że granice regulacji tego stabilizatora są w przybliżeniu równe - 0 ... Uout.

Napięcie wyjściowe takiego przetwornika ma polaryzację podobną do napięcia wejściowego.

W jaki sposób przetwornica napięcia zwiększa impuls

IPPN2 - jest w stanie zwiększyć napięcie z napięcia zasilającego do wartości kilkadziesiąt razy większej od niego. Schematycznie składa się z tych samych elementów, co poprzedni.

Dowolny konwerter tego typu ma w swoim składzie trzy główne składniki aktywne:

• Klucz zarządzany (bipolarny, polowy, Tranzystory IGBT, MOSFET);

• Niekontrolowany klucz (dioda prostownicza);

• Indukcyjność skumulowana.

Prąd zawsze przepływa przez indukcyjność, zmienia się tylko jego wielkość.

Aby zrozumieć zasadę działania tego przetwornika, należy pamiętać o zasadzie przełączania cewki indukcyjnej: „Prąd przepływający przez cewkę indukcyjną nie może się zmienić natychmiast”.

Jest to spowodowane takim zjawiskiem, jak samoindukcyjny EMF lub przeciw-EMF. Ponieważ pole elektromagnetyczne indukcyjności zapobiega nagłej zmianie prądu, cewka może być reprezentowana jako źródło zasilania. Następnie w tym obwodzie, gdy klucz jest zamknięty przez cewkę, prąd dużej wielkości zaczyna płynąć, ale, jak powiedziano ostro, nie może wzrosnąć.

Przeciw-EMF jest zjawiskiem, gdy na końcach cewki EMF wydaje się przeciwny do zastosowanego. Jeśli przedstawisz to na schemacie dla jasności, będziesz musiał wyobrazić sobie cewkę indukcyjną w postaci źródła pola elektromagnetycznego.

Liczba „1” wskazuje stan obwodu, gdy klucz jest zamknięty. Należy pamiętać, że źródło zasilania i cewki EMF symbol są połączone szeregowo z dodatnimi zaciskami, tj. ich wartości EMF są odejmowane. W takim przypadku indukcyjność zapobiega przepływowi prądu elektrycznego, a raczej spowalnia jego wzrost. W miarę wzrostu, po pewnym stałym przedziale czasu, wartość przeciw-EMF maleje, a prąd przez indukcyjność rośnie.

Dygresja liryczna:

Wartość pola elektromagnetycznego indukcji własnej, jak każdego innego pola elektromagnetycznego, mierzy się w woltach.

W tym czasie główny prąd przepływa wzdłuż obwodu: klucz zamknięty indukcyjność źródła zasilania.

Kiedy klucz SA otwiera się, obwód 2. Prąd zaczyna płynąć wzdłuż takiego obwodu: źródło zasilania-indukcyjność-dioda-obciążenie. Ponieważ rezystancja obciążenia często jest znacznie większa niż rezystancja kanału zamkniętego tranzystora. W tym przypadku znowu - prąd przepływający przez indukcyjność nie może gwałtownie się zmienić, indukcyjność zawsze stara się utrzymać kierunek i wielkość prądu, dlatego przeciw-EMF pojawia się ponownie, ale w odwrotnej polaryzacji.

Zauważ, jak na drugim schemacie są połączone bieguny źródła zasilania i źródła pola elektromagnetycznego zastępującego cewkę. Są one połączone szeregowo przeciwnymi biegunami, a wartości tych pól elektromagnetycznych są sumowane.

W ten sposób następuje wzrost napięcia.

Podczas procesu magazynowania energii indukcyjnej obciążenie jest zasilane energią, która wcześniej była przechowywana w kondensatorze wygładzającym.

Współczynnik konwersji w IPPN2 wynosi

Ku = 1 / (1-D)

Jak widać ze wzoru - im większy D to cykl roboczy, tym większe napięcie wyjściowe. Biegunowość mocy wyjściowej jest taka sama jak na wejściu dla tego typu konwertera.

Jak działa odwracający konwerter napięcia

Odwracający konwerter napięcia jest dość interesującym urządzeniem, ponieważ może pracować zarówno w trybie obniżania napięcia, jak iw trybie doładowania. Warto jednak wziąć pod uwagę, że biegunowość jego napięcia wyjściowego jest przeciwna do wejściowej, tj. potencjał dodatni występuje na wspólnym przewodzie.

Odwrócenie jest również zauważalne w kierunku, w którym dioda D. jest włączona. Zasada działania jest nieco podobna do IPPN2. Gdy klucz T jest zamknięty, zachodzi proces gromadzenia energii indukcyjnej, energia ze źródła nie dostaje się do obciążenia z powodu diody D. Gdy klucz jest zamknięty, energia indukcyjna zaczyna rozpraszać się w obciążeniu.

Prąd nadal przepływa przez indukcyjność, pojawia się indukcyjna indukcja elektromagnetyczna skierowana w taki sposób, że na końcach cewki powstaje biegunowość przeciwna do pierwotnego źródła zasilania. Tj. w złączu emitera tranzystora (drenaż, jeśli tranzystor polowy), katoda diody i koniec uzwojenia cewki tworzą potencjał ujemny. Odpowiednio na drugim końcu jest dodatnia.

Współczynnik konwersji IPPN3 jest równy:

Ku = D / (1-D)

Poprzez proste zastąpienie współczynnika wypełnienia formułą ustalamy, że do wartości D równej 0,5 konwerter działa jak konwerter w dół, a od góry - w konwerter w górę.

Jak kontrolować taki konwerter?

Możliwe jest nieskończone opisanie wszystkich opcji konstruowania sterowników PWM, można o tym napisać kilka tomów literatury technicznej. Chcę ograniczyć się do podania kilku prostych opcji:

1. Złóż asymetryczny obwód multiwibratora. Zamiast VT3 tranzystor jest podłączony do obwodów IPPN.

2. Nieco bardziej skomplikowana opcja, ale bardziej stabilna pod względem częstotliwości PWM na NE555 (kliknij na zdjęcie, aby powiększyć).

Dokonaj zmian w obwodzie, VT1 jest tranzystorem, zmieniamy obwód tak, aby na jego miejscu był tranzystor IPPN.

3. Opcja użycia mikrokontroler, więc możesz także wykonywać wiele dodatkowych funkcji, dla początkujących będą one działać dobrze Mikrokontrolery AVR. Jest na ten temat wspaniały samouczek wideo.

Wnioski

Przełączanie przekształtników napięcia jest bardzo ważnym tematem w branży zasilaczy do urządzeń elektronicznych. Takie obwody są używane wszędzie, a ostatnio, wraz z rozwojem „domowej roboty” lub jak obecnie modne jest nazywanie „zrób to sam” i popularnością strony internetowej aliexpress, takie konwertery stały się szczególnie popularne i na żądanie, możesz zamówić gotową płytkę drukowaną, która już stała się klasycznym konwerterem dla LM2596 i tym podobne za kilka dolarów, podczas gdy można regulować napięcie lub prąd, lub jedno i drugie.

 

Inną popularną płytą jest mini-360

Możesz zauważyć, że w tych obwodach nie ma tranzystora. Faktem jest, że jest on wbudowany w układ, poza tym jest kontroler PWM, obwody sprzężenia zwrotnego do stabilizacji napięcia wyjściowego i więcej. Obwody te można jednak wzmocnić, instalując dodatkowy tranzystor.

Jeśli jesteś zainteresowany zaprojektowaniem obwodu dla swoich potrzeb, możesz przeczytać więcej o współczynnikach projektowych w następującej literaturze:

• „Komponenty do budowy źródeł zasilania”, Michaił Baburin, Aleksiej Pawlenko, Grupa firm Symmetron

• „Stabilizowane przetworniki tranzystorowe” V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.