ตัวแปลง DC-DC

เพื่อให้พลังงานแก่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆตัวแปลง DC / DC นั้นถูกใช้อย่างกว้างขวาง พวกเขาจะใช้ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์อุปกรณ์สื่อสารวงจรควบคุมและวงจรอัตโนมัติต่าง ๆ ฯลฯ

หม้อแปลงไฟฟ้า

ในแหล่งจ่ายไฟหม้อแปลงแบบดั้งเดิมแรงดันไฟฟ้าของไฟจะถูกแปลงโดยหม้อแปลงซึ่งส่วนใหญ่มักจะลดลงตามค่าที่ต้องการ แรงดันไฟฟ้าที่ลดลง แก้ไขโดยสะพานไดโอด และทำให้เรียบขึ้นโดยตัวกรองตัวเก็บประจุ ถ้าจำเป็นโคลงเซมิคอนดักเตอร์จะถูกวางไว้หลัง rectifier

อุปกรณ์จ่ายไฟของหม้อแปลงมักจะมีตัวปรับความเสถียรแบบเชิงเส้น มีข้อดีอย่างน้อยสองอย่างของตัวปรับความคงตัวดังกล่าว: มันมีค่าใช้จ่ายน้อยและมีชิ้นส่วนจำนวนน้อยในสายรัด แต่ข้อดีเหล่านี้มีการใช้งานที่มีประสิทธิภาพต่ำเนื่องจากส่วนสำคัญของแรงดันไฟฟ้าอินพุตถูกใช้เพื่อทำให้ความร้อนแก่ทรานซิสเตอร์ควบคุมซึ่งไม่สามารถยอมรับได้อย่างสมบูรณ์สำหรับการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา

ตัวแปลง DC / DC

หากอุปกรณ์นั้นใช้พลังงานจากเซลล์ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่การแปลงแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ต้องการนั้นสามารถทำได้ด้วยความช่วยเหลือของตัวแปลง DC / DC เท่านั้น

แนวคิดนี้ค่อนข้างง่าย: แรงดันไฟฟ้าคงที่จะถูกเปลี่ยนเป็นแรงดันไฟฟ้าสลับตามกฎโดยมีความถี่หลายสิบหรือหลายร้อยกิโลเฮิร์ตซ์มันเพิ่มขึ้น (ลดลง) จากนั้นจะถูกแก้ไขและป้อนเข้ากับโหลด ตัวแปลงดังกล่าวมักเรียกว่าชีพจร

ตัวอย่างคือบูสเตอร์แปลงจาก 1.5V เป็น 5V เพียงแรงดันเอาต์พุตของคอมพิวเตอร์ USB แปลงพลังงานที่คล้ายกันมีจำหน่ายใน Aliexpress

มะเดื่อ 1. 1.5V / 5V converter

ตัวแปลงพัลส์เป็นสิ่งที่ดีเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงภายใน 60 .. 90% ข้อดีอีกประการของตัวแปลงพัลส์คือแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่หลากหลาย: แรงดันไฟฟ้าอินพุตอาจต่ำกว่าแรงดันเอาต์พุตหรือสูงกว่ามาก โดยทั่วไปตัวแปลง DC / DC สามารถแบ่งออกเป็นหลายกลุ่ม

การจำแนกประเภทของคอนเวอร์เตอร์

ขั้นตอนที่ลงหรือเจ้าชู้

แรงดันเอาท์พุทของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้ตามกฎต่ำกว่าอินพุต: โดยไม่สูญเสียความร้อนเป็นพิเศษสำหรับการควบคุมทรานซิสเตอร์คุณสามารถรับแรงดันไฟฟ้าเพียงไม่กี่โวลต์ที่มีแรงดันอินพุต 12 ... 50V กระแสเอาท์พุทของคอนเวอร์เตอร์ดังกล่าวขึ้นอยู่กับความต้องการของโหลดซึ่งจะกำหนดวงจรของคอนเวอร์เตอร์

ชื่อภาษาอังกฤษอื่นสำหรับตัวแปลงบั๊กชอปเปอร์ หนึ่งในตัวเลือกสำหรับการแปลคำนี้คือเบรกเกอร์ ในวรรณกรรมทางเทคนิคตัวแปลงบั๊กบางครั้งเรียกว่า "ตัวสับ" สำหรับตอนนี้แค่จำคำนี้

การเพิ่มหรือเพิ่มคำศัพท์ภาษาอังกฤษ

แรงดันเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้สูงกว่าอินพุท ตัวอย่างเช่นด้วยแรงดันไฟฟ้าอินพุท 5V สามารถรับเอาต์พุตได้สูงถึง 30V และยังสามารถควบคุมและเสถียรได้อย่างต่อเนื่อง Boost converter มักเรียกว่า boosters

ตัวแปลงสากล - SEPIC

แรงดันเอาต์พุตของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้จะถูกเก็บไว้ในระดับที่กำหนดไว้พร้อมกับแรงดันอินพุททั้งสูงกว่าอินพุทและต่ำกว่า แนะนำให้ใช้ในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่นในรถยนต์แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่อาจแตกต่างกันระหว่าง 9 ... 14V และคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่ 12V

ตัวแปลงอินเวอร์ติ้ง - แปลงกลับหัว

หน้าที่หลักของคอนเวอร์เตอร์เหล่านี้คือการรับเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าของขั้วกลับด้านที่สัมพันธ์กับแหล่งพลังงาน สะดวกมากในกรณีที่ต้องการสารอาหารสองขั้ว เพื่อจ่ายไฟให้กับแอมป์.

คอนเวอร์เตอร์ทั้งหมดเหล่านี้สามารถทำให้เสถียรหรือไม่เสถียรแรงดันเอาต์พุตสามารถเชื่อมต่อกัลวาไนซ์กับอินพุตหรือมีการแยกแรงดันไฟฟ้าของกัลวานิก ทุกอย่างขึ้นอยู่กับอุปกรณ์เฉพาะที่จะใช้ตัวแปลง

เพื่อที่จะดำเนินการอภิปรายเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวแปลงไฟ DC / DC อย่างน้อยก็ควรจัดการกับทฤษฎี

Chopper down converter - ตัวแปลงชนิดบั๊ก

แผนภาพการทำงานแสดงในรูปด้านล่าง ลูกศรบนสายไฟจะบอกทิศทางของกระแสน้ำ

รูปที่ 2 แผนภาพการทำงานของเครื่องลดการสั่นไหว

แรงดันไฟฟ้าอินพุทถูกนำไปใช้กับตัวกรองอินพุต - ตัวเก็บประจุ Cin ทรานซิสเตอร์ VT ใช้เป็นองค์ประกอบสำคัญในการสลับกระแสความถี่สูง มันอาจจะเป็น ทรานซิสเตอร์โครงสร้าง MOSFET, IGBT หรือ ทรานซิสเตอร์สองขั้วธรรมดา. นอกเหนือจากรายละเอียดเหล่านี้แล้ววงจรนี้ยังประกอบด้วยไดโอดดิสชาร์จ VD และตัวกรองเอาต์พุต - LCout ซึ่งแรงดันไฟฟ้าจะเข้าสู่โหลดRн

มันง่ายที่จะเห็นว่าโหลดถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับองค์ประกอบ VT และ L ดังนั้นวงจรจึงสอดคล้องกัน แรงดันตกเกิดขึ้นได้อย่างไร?

การปรับความกว้างพัลส์ - PWM

วงจรควบคุมสร้างพัลส์สี่เหลี่ยมที่มีความถี่คงที่หรือช่วงเวลาคงที่ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกัน พัลส์เหล่านี้แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 พัลส์ควบคุม

นี่คือเวลาพัลส์ทรานซิสเตอร์เปิด tp คือเวลาหยุดชั่วคราวและทรานซิสเตอร์ปิด อัตราส่วน ti / T เรียกว่ารอบหน้าที่รอบการทำงานแสดงด้วยตัวอักษร D และแสดงเป็น %% หรือเป็นตัวเลข ตัวอย่างเช่นเมื่อ D เท่ากับ 50% ปรากฎว่า D = 0.5

ดังนั้น D สามารถแตกต่างกันจาก 0 ถึง 1 ด้วยค่า D = 1, ทรานซิสเตอร์ที่สำคัญอยู่ในสถานะของการนำเต็มและที่ D = 0 ในสถานะที่ถูกตัดออกเพียงแค่พูดมันจะถูกปิด ง่ายต่อการคาดเดาที่ D = 50% แรงดันไฟฟ้าขาออกจะเท่ากับครึ่งหนึ่งของอินพุต

เห็นได้ชัดว่ากฎระเบียบของแรงดันเอาท์พุทเกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความกว้างของพัลส์ควบคุมและในความเป็นจริงการเปลี่ยนแปลงของสัมประสิทธิ์ D หลักการของกฎระเบียบนี้เรียกว่า ความกว้างพัลส์มอดูเลต PWM (PWM) ในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเกือบทั้งหมดจะช่วยได้อย่างแม่นยำด้วยความช่วยเหลือของ PWM ที่แรงดันเอาต์พุตมีความเสถียร

ในไดอะแกรมที่แสดงในรูปที่ 2 และ 6 PWM นั้น“ ซ่อนอยู่” ในสี่เหลี่ยมที่มีคำว่า“ วงจรควบคุม” ซึ่งทำหน้าที่เพิ่มเติมบางอย่าง ตัวอย่างเช่นอาจเป็นการเริ่มต้นที่ราบรื่นของแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตการสลับระยะไกลหรือการป้องกันเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าลัดวงจร

โดยทั่วไปแล้วคอนเวอร์เตอร์ถูกใช้อย่างกว้างขวางจน บริษัท ผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่จัดเตรียมไว้สำหรับตัวควบคุม PWM สำหรับทุกโอกาส ช่วงมีขนาดใหญ่มากเพียงแค่แสดงรายการคุณจะต้องมีหนังสือทั้งเล่ม ดังนั้นจึงไม่เกิดขึ้นกับทุกคนในการประกอบคอนเวอร์เตอร์ในองค์ประกอบที่ไม่ต่อเนื่องหรืออย่างที่พวกเขามักจะพูดถึงใน

ยิ่งไปกว่านั้นคอนเวอร์เตอร์สำเร็จรูปที่มีความจุขนาดเล็กสามารถซื้อได้ที่ Aliexpress หรือ Ebay ในราคาเพียงเล็กน้อย ในเวลาเดียวกันสำหรับการติดตั้งในการออกแบบที่ชำนาญก็พอที่จะประสานสายไฟเข้าและออกไปยังคณะกรรมการและการตั้งค่าแรงดันเอาท์พุทที่ต้องการ

แต่กลับไปที่รูปที่ 3 ของเราในกรณีนี้สัมประสิทธิ์ D เป็นตัวกำหนดระยะเวลาที่จะเปิด (เฟส 1) หรือปิด (เฟส 2) ทรานซิสเตอร์ที่สำคัญ. สำหรับสองเฟสนี้คุณสามารถนึกภาพไดอะแกรมเป็นสองร่าง ตัวเลขไม่แสดงองค์ประกอบเหล่านั้นที่ไม่ได้ใช้ในขั้นตอนนี้

รูปที่ 4 ระยะที่ 1

เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดกระแสไฟจากแหล่งพลังงาน (เซลล์กัลวานิค, แบตเตอรี่, วงจรเรียงกระแส) จะส่งผ่านตัวเหนี่ยวนำโช้ก L, โหลดRнและตัวเก็บประจุชาร์จ Cout ในกรณีนี้กระแสไหลผ่านโหลดตัวเก็บประจุ Cout และตัวเหนี่ยวนำ L สะสมพลังงาน iL ปัจจุบันเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ผลของการเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำมีผลต่อ เฟสนี้เรียกว่าการปั๊ม

หลังจากแรงดันไฟฟ้าที่โหลดถึงค่าที่ตั้งไว้ (กำหนดโดยการตั้งค่าอุปกรณ์ควบคุม) ทรานซิสเตอร์ VT จะปิดและอุปกรณ์เคลื่อนที่ไปยังเฟสที่สอง - เฟสการคายประจุ ทรานซิสเตอร์ที่ปิดในรูปไม่แสดงเลยราวกับว่ามันไม่มีอยู่ แต่นี่หมายความว่าทรานซิสเตอร์ปิดเท่านั้น

รูปที่ 5 ระยะที่ 2

เมื่อทรานซิสเตอร์ VT ถูกปิดจะไม่มีการเติมพลังงานในตัวเหนี่ยวนำเนื่องจากแหล่งพลังงานถูกตัดการเชื่อมต่อ ตัวเหนี่ยวนำ L พยายามป้องกันการเปลี่ยนแปลงขนาดและทิศทางของกระแสไฟฟ้า (เหนี่ยวนำตนเอง) ที่ไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ

ดังนั้นกระแสไม่สามารถหยุดได้ทันทีและปิดผ่านวงจรโหลดไดโอด ด้วยเหตุนี้ไดโอด VD จึงถูกเรียกบิต ตามกฎแล้วนี่คือไดโอด Schottky ความเร็วสูง หลังจากระยะเวลาการควบคุมของเฟส 2 วงจรสลับไปที่เฟส 1 กระบวนการจะทำซ้ำอีกครั้ง แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เอาต์พุตของวงจรที่พิจารณาสามารถเท่ากับอินพุตและไม่มาก เพื่อให้ได้แรงดันเอาต์พุตมากกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะใช้ตัวแปลงบูสเตอร์

ควรสังเกตว่าในความเป็นจริงไม่ใช่ทุกอย่างที่ง่ายอย่างที่เขียนไว้ข้างต้น: สันนิษฐานว่าส่วนประกอบทั้งหมดนั้นสมบูรณ์แบบนั่นคือ การเปิดและปิดเกิดขึ้นโดยไม่ชักช้าและความต้านทานที่ใช้งานอยู่เป็นศูนย์ ในการผลิตภาคปฏิบัติของรูปแบบดังกล่าวต้องคำนึงถึงความแตกต่างหลายประการเนื่องจากมีหลายอย่างขึ้นอยู่กับคุณภาพของส่วนประกอบที่ใช้และความสามารถของกาฝากในการติดตั้ง เกี่ยวกับรายละเอียดง่ายๆเช่นเค้น (ดีแค่ม้วนลวด!) คุณสามารถเขียนบทความมากกว่าหนึ่ง

สำหรับตอนนี้มันเป็นสิ่งจำเป็นเท่านั้นที่จะเรียกคืนค่าของการเหนี่ยวนำซึ่งกำหนดสองโหมดของการทำงานของสับ ด้วยการเหนี่ยวนำไม่เพียงพอตัวแปลงจะทำงานในโหมดไม่ต่อเนื่องซึ่งไม่สามารถยอมรับได้อย่างสมบูรณ์สำหรับแหล่งพลังงาน

หากการเหนี่ยวนำมีขนาดใหญ่พองานจะเกิดขึ้นในโหมดกระแสอย่างต่อเนื่องซึ่งช่วยให้การใช้ตัวกรองเอาท์พุทเพื่อให้ได้แรงดันคงที่ที่มีระดับระลอกคลื่นที่ยอมรับได้ ในโหมดปัจจุบันอย่างต่อเนื่องตัวแปลงแบบขั้นตอนยังทำงานได้ซึ่งจะอธิบายไว้ด้านล่าง

เพื่อประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นไดโอด VD จะถูกแทนที่ด้วยทรานซิสเตอร์ MOSFET ซึ่งจะเปิดในเวลาที่เหมาะสมโดยวงจรควบคุม ตัวแปลงดังกล่าวเรียกว่าซิงโครนัส การใช้งานของพวกเขาเป็นธรรมหากพลังของตัวแปลงมีขนาดใหญ่พอ

ก้าวขึ้นหรือเพิ่มตัวแปลงบูสต์

บูสเตอร์คอนเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำเช่นจากแบตเตอรี่สองถึงสามตัวและบางส่วนประกอบต้องการ 12 ... 15 V ที่สิ้นเปลืองกระแสไฟต่ำ บ่อยครั้งที่ตัวแปลงบูสเตอร์นั้นสั้นและชัดเจนว่าคำว่า "บูสเตอร์"

รูปที่ 6 แผนภาพการทำงานของบูสเตอร์แปลง

แรงดันไฟฟ้าอินพุทถูกนำไปใช้กับตัวกรองอินพุตซินและนำไปใช้กับซีรีย์ที่เชื่อมต่อ เหนี่ยวนำ L และทรานซิสเตอร์สลับ VT ไดโอด VD เชื่อมต่อกับจุดเชื่อมต่อของขดลวดและท่อระบายน้ำของทรานซิสเตอร์ โหลดRнและตัวเก็บประจุตัวแบ่งปัดเชื่อมต่อกับขั้วอื่น ๆ ของไดโอด

ทรานซิสเตอร์ VT ถูกควบคุมโดยวงจรควบคุมที่สร้างสัญญาณควบคุมความถี่ที่เสถียรพร้อมวัฏจักรหน้าที่ปรับได้ D ในลักษณะเดียวกับที่อธิบายข้างต้นในคำอธิบายของวงจรสับ (รูปที่ 3) VD diode ในเวลาที่เหมาะสมป้องกันการโหลดจากทรานซิสเตอร์ที่สำคัญ

เมื่อเปิดทรานซิสเตอร์สำคัญเอาท์พุทด้านขวาของคอยล์ L จะเชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟ Uin กระแสที่เพิ่มขึ้น (ผลกระทบของการเหนี่ยวนำมีผลต่อ) จากแหล่งพลังงานไหลผ่านขดลวดและทรานซิสเตอร์เปิดพลังงานจะถูกสะสมในขดลวด

ในเวลานี้ไดโอด VD บล็อกโหลดและตัวเก็บประจุเอาท์พุทจากวงจรที่สำคัญจึงป้องกันการปล่อยของตัวเก็บประจุเอาท์พุทผ่านทรานซิสเตอร์เปิด โหลดในขณะนี้ถูกขับเคลื่อนโดยพลังงานที่เก็บไว้ใน Cout ตัวเก็บประจุ ตามธรรมชาติแล้วแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุเอาต์พุตจะลดลง

ทันทีที่แรงดันไฟฟ้าขาออกต่ำกว่าแรงดันที่ระบุไว้เล็กน้อย (กำหนดโดยการตั้งค่าวงจรควบคุม) ทรานซิสเตอร์หลัก VT จะปิดและพลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำจะเติมประจุตัวเก็บประจุ Cout ผ่านไดโอด VD ซึ่งป้อนโหลด ในกรณีนี้ EMF เหนี่ยวนำตนเองของขดลวด L จะถูกเพิ่มเข้ากับแรงดันไฟฟ้าและถ่ายโอนไปยังโหลดดังนั้นแรงดันเอาต์พุตจะมากกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุต

เมื่อแรงดันไฟฟ้าขาออกถึงระดับความเสถียรที่ตั้งไว้วงจรควบคุมจะเปิดทรานซิสเตอร์ VT และกระบวนการจะทำซ้ำตั้งแต่ขั้นตอนของการจัดเก็บพลังงาน

ตัวแปลงสากล - SEPIC (ตัวแปลงหรือตัวเหนี่ยวนำหลักแบบปลายเดี่ยวที่มีตัวเหนี่ยวนำหลักที่โหลดแบบไม่สมมาตร)

ตัวแปลงดังกล่าวส่วนใหญ่จะใช้เมื่อโหลดมีพลังงานต่ำและการเปลี่ยนแปลงแรงดันอินพุตเมื่อเทียบกับเอาต์พุตขึ้นหรือลง

รูปที่ 7 แผนภาพการทำงานของตัวแปลง SEPIC

คล้ายกับวงจรเพิ่มตัวแปลงที่แสดงในรูปที่ 6 แต่มีองค์ประกอบเพิ่มเติม: ตัวเก็บประจุ C1 และขดลวด L2 มันเป็นองค์ประกอบเหล่านี้ที่ให้การทำงานของตัวแปลงในโหมดของแรงดันตก

ตัวแปลง SEPIC ถูกนำมาใช้ในกรณีที่แรงดันไฟฟ้าขาเข้าแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างคือ 4V-35V ถึง 1.23V-32V Boost Buck Buck แรงดันไฟฟ้าขั้นตอนขึ้น / ลง Converter Regulator มันอยู่ภายใต้ชื่อนี้ว่าตัวแปลงมีขายในร้านค้าจีนวงจรซึ่งแสดงในรูปที่ 8 (คลิกที่ภาพเพื่อขยาย)

รูปที่ 8 แผนผังไดอะแกรมของตัวแปลง SEPIC

รูปที่ 9 แสดงลักษณะของบอร์ดพร้อมการกำหนดองค์ประกอบหลัก

รูปที่ 9 ลักษณะที่ปรากฏของ SEPIC Converter

ภาพแสดงชิ้นส่วนหลักตามรูปที่ 7 ให้ความสนใจกับการปรากฏตัวของสองขดลวด L1 L2 จากคุณสมบัตินี้สามารถระบุได้ว่านี่เป็นตัวแปลง SEPIC อย่างแม่นยำ

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าของบอร์ดสามารถอยู่ในช่วง 4 ... 35V ในกรณีนี้สามารถปรับแรงดันขาออกภายใน 1.23 ... 32V ความถี่ในการใช้งานของตัวแปลงคือ 500KHz. ด้วยขนาดเล็กของ 50 x 25 x 12mm, บอร์ดให้พลังงานสูงถึง 25 วัตต์ กระแสไฟขาออกสูงสุดถึง 3A

แต่ที่นี่ควรทำหมายเหตุ หากตั้งแรงดันเอาท์พุทเป็น 10V แสดงว่ากระแสเอาต์พุตไม่สามารถสูงกว่า 2.5A (25W) ด้วยแรงดันเอาต์พุต 5V และกระแสสูงสุด 3A พลังงานจะเพียง 15W สิ่งสำคัญที่นี่คือไม่หักโหมมัน: ไม่เกินพลังสูงสุดที่อนุญาตหรือไม่ไปไกลกว่ากระแสที่อนุญาต

ดูเพิ่มเติมที่: การสลับพาวเวอร์ซัพพลาย - หลักการของการทำงาน

Boris Aladyshkin