ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์ความถี่แบบไม่มีหม้อแปลง

แฮมเริ่มต้นจำนวนมากพบว่ามันยากที่จะกำหนดประเภทของแหล่งจ่ายไฟ แต่มันก็ไม่ยาก วิธีการแปลงแรงดันไฟฟ้าหลักคือการใช้หนึ่งในสองตัวเลือกวงจร:

• หม้อแปลง;

• แหล่งจ่ายไฟแบบไม่ใช้หม้อแปลง

ในทางกลับกันหม้อแปลงแตกต่างกันในประเภทของวงจร:

• แหล่งจ่ายไฟหลักที่มีหม้อแปลงไฟฟ้าทำงานที่ความถี่ 50 Hz

• พัลส์ที่มีหม้อแปลงทำงานที่ความถี่สูง (หมื่น Hz)

วงจรชีพจรของแหล่งจ่ายไฟสามารถเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายโดยหลีกเลี่ยงการสูญเสียคงที่ในเชิงเส้นคงตัวและองค์ประกอบอื่น ๆ

วงจรแบบไม่ใช้หม้อแปลง

หากมีความต้องการพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟในครัวเรือน 220 V อุปกรณ์ที่ง่ายที่สุดสามารถเปิดได้จากแหล่งจ่ายไฟโดยใช้องค์ประกอบบัลลาสต์เพื่อลดแรงดันไฟฟ้า ตัวอย่างที่รู้จักกันอย่างกว้างขวางของแหล่งพลังงานดังกล่าวคือวงจรตัวเก็บประจุแบบบัลลาสต์

อย่างไรก็ตามมีไดรเวอร์จำนวนมากในตัว ตัวควบคุม PWM และปุ่มเปิดปิดเพื่อสร้างตัวแปลงพัลส์บั๊กแบบไม่มีหม้อแปลงซึ่งเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยมาก หลอดไฟ LED และเทคโนโลยีอื่น ๆ

ในกรณีของการใช้พลังงานจากแหล่งกระแสตรงตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่หรือแบตเตอรี่ไฟฟ้าอื่น ๆ ให้ใช้:

• ตัวปรับแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น (ตัวโคลงของ KREN หรือ L78xx ประเภทที่มีหรือไม่มีการป้อนผ่านทรานซิสเตอร์, โคลงพาราเมตริกจากซีเนอร์ไดโอดและทรานซิสเตอร์)

• ตัวแปลง Pulse (ลดระดับ - BUCK, เพิ่มระดับ - BOOST หรือเพิ่มระดับ - BUCK-BOOST)

ข้อดีของตัวจ่ายไฟและตัวแปลงแบบไม่มีหม้อแปลงไฟฟ้ามีดังต่อไปนี้:

• ไม่จำเป็นต้องหมุนหม้อแปลงการแปลงจะดำเนินการโดยเค้นและกุญแจ;

• ผลที่ตามมาของก่อนหน้านี้มีขนาดเล็กของแหล่งพลังงาน

ข้อเสีย:

• การขาดการแยกทางไฟฟ้าในกรณีที่ปุ่มทำงานผิดปกติจะนำไปสู่การปรากฏตัวของแรงดันไฟฟ้าของแหล่งพลังงานหลัก นี่เป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากบทบาทมีการเล่นโดยเครือข่าย 220 V

• อันตรายจากไฟฟ้าช็อตเนื่องจากข้อต่อไฟฟ้า

• ขนาดใหญ่ของตัวเหนี่ยวนำในตัวแปลงพลังงานสูงสงสัยในความเป็นไปได้ของการใช้โทโพโลยีของแหล่งจ่ายไฟ ด้วยตัวบ่งชี้น้ำหนักและขนาดเทียบเคียงคุณสามารถใช้หม้อแปลงตัวแปลงแบบแยกตัวด้วยไฟฟ้า

พันธุ์หลักของการแปลงแรงดันไฟฟ้าสลับ

ในวรรณกรรมในประเทศมักพบคำย่อ "IPPN" ซึ่งย่อมาจาก: Pulse Step-down (หรือ step-up หรือทั้งสองอย่าง) Voltage Converter

พื้นฐานสามรูปแบบพื้นฐานสามารถแยกความแตกต่าง

1. IPPN1 - ตัวแปลง Step-down ในวรรณคดีอังกฤษ - BUCK DC CONVERTER หรือ Step-down

2. IPPN2 - ตัวแปลง Boost ในวรรณคดีอังกฤษ - BOOST DC CONVERTER หรือ Step-up

3. IPPN3 - ตัวแปลงอินเวอร์เตอร์ที่มีความเป็นไปได้ในการเพิ่มและลดแรงดันไฟฟ้า BUCK-BOOST DC CONVERTER

ตัวแปลงสัญญาณแบบพัลส์ทำงานอย่างไร

มาเริ่มกันที่การพิจารณาหลักการการดำเนินงานของโครงการแรก - IPPN1.

 

ในโครงร่างวงจรไฟฟ้าสองวงจรสามารถแยกแยะได้:

1. "+" จากแหล่งจ่ายไฟจะถูกส่งผ่านคีย์ส่วนตัว (ทรานซิสเตอร์ประเภทการนำไฟฟ้าที่สอดคล้องกันใด ๆ ) ไปยังLн (ที่เก็บโช้ก) จากนั้นกระแสจะไหลผ่านโหลดไปยังแหล่งพลังงาน "-"

2. วงจรที่สองเกิดขึ้นจาก ไดโอด Д, เค้นLнและภาระการเชื่อมต่อRн.

เมื่อกุญแจถูกปิดกระแสจะไหลไปตามวงจรหลักกระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำและพลังงานจะถูกสะสมในสนามแม่เหล็ก เมื่อเราปิด (เปิด) กุญแจพลังงานที่เก็บไว้ในขดลวดจะกระจายไปยังโหลดขณะที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรที่สอง

แรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุต (โหลด) ของตัวแปลงดังกล่าวคือ

Uout = Uin * Ku

กู่เป็นค่าสัมประสิทธิ์การแปลงซึ่งขึ้นอยู่กับรอบการทำงานของพัลส์ควบคุมของสวิตช์ไฟ

Ku = Uout / Uin

วัฏจักรหน้าที่ "D" คืออัตราส่วนของเวลาที่ปุ่มเปิดไปยังช่วงเวลา PWM "D" สามารถรับค่าได้ตั้งแต่ 0 ถึง 1

สำคัญ: สำหรับ STI1 Ku = D ซึ่งหมายความว่าข้อ จำกัด การควบคุมของโคลงนี้จะเท่ากับ - 0 ... Uout

แรงดันเอาต์พุตของตัวแปลงดังกล่าวคล้ายกับขั้วไฟฟ้ากับแรงดันไฟฟ้าอินพุต

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าเพิ่มพัลส์อย่างไร

IPPN2 - สามารถเพิ่มแรงดันจากแรงดันไฟฟ้าเป็นค่าที่สูงกว่ามันเป็นสิบเท่า แผนผังประกอบด้วยองค์ประกอบเดียวกันกับองค์ประกอบก่อนหน้า

ตัวแปลงประเภทนี้ใด ๆ มีในองค์ประกอบของมัน ส่วนผสมหลักสามอย่าง:

• Managed Key (Bipolar, Field, IGBT ทรานซิสเตอร์ MOSFET);

• คีย์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ (rectifier diode);

• ตัวเหนี่ยวนำสะสม

กระแสไฟฟ้าไหลผ่านการเหนี่ยวนำเสมอการเปลี่ยนแปลงขนาดเท่านั้น

เพื่อที่จะเข้าใจหลักการของการทำงานของตัวแปลงนี้คุณต้องจำกฎการสลับสำหรับตัวเหนี่ยวนำ: "กระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้ทันที"

สิ่งนี้เกิดจากปรากฏการณ์เช่น EMF เหนี่ยวนำตนเองหรือเคาน์เตอร์ EMF เนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของการเหนี่ยวนำป้องกันการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันในปัจจุบันขดลวดจึงสามารถแสดงเป็นแหล่งพลังงาน จากนั้นในวงจรนี้เมื่อกุญแจถูกปิดผ่านขดลวดกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่จะเริ่มไหล แต่อย่างที่ได้กล่าวไว้อย่างแหลมคมมันไม่สามารถเพิ่มขึ้นได้

Counter-EMF เป็นปรากฏการณ์เมื่อปลายขดลวดที่ EMF ปรากฏตรงข้ามกับสิ่งที่ถูกนำไปใช้ หากคุณนำเสนอสิ่งนี้ในแผนภาพเพื่อความชัดเจนคุณจะต้องนึกภาพตัวเหนี่ยวนำในรูปแบบของแหล่งที่มาของ EMF

หมายเลข“ 1” หมายถึงสถานะของวงจรเมื่อปิดกุญแจ โปรดทราบว่าแหล่งพลังงานและสัญลักษณ์ขดลวด EMF นั้นเชื่อมต่ออยู่ในอนุกรมที่มีขั้วบวกคือ IE ค่า EMF ของมันจะถูกลบออก ในกรณีนี้เหนี่ยวนำป้องกันไม่ให้ผ่านของกระแสไฟฟ้าหรือค่อนข้างช้าการเจริญเติบโตของมัน เมื่อมันโตขึ้นหลังจากช่วงเวลาหนึ่งคงที่ค่าของตัวนับ EMF จะลดลงและกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้น

พูดนอกเรื่องโคลงสั้น ๆ :

ค่าของ EMF ของการเหนี่ยวนำตนเองเช่นเดียวกับ EMF อื่น ๆ วัดเป็นโวลต์

ในช่วงเวลานี้กระแสหลักไหลไปตามวงจร: คีย์ปิดตัวเหนี่ยวนำแหล่งพลังงาน

เมื่อคีย์ SA เปิดขึ้นวงจร 2 กระแสเริ่มไหลไปตามวงจรดังกล่าว: แหล่งพลังงาน - ตัวเหนี่ยวนำ - ไดโอด - โหลด ตั้งแต่ความต้านทานโหลดมักจะมากกว่าความต้านทานช่องทางของทรานซิสเตอร์ปิด ในกรณีนี้อีกครั้ง - กระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่สามารถเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันตัวเหนี่ยวนำมักจะพยายามรักษาทิศทางและขนาดของกระแสดังนั้นตัวนับ EMF จะปรากฏขึ้นอีกครั้ง แต่ในขั้วกลับ

ขอให้สังเกตว่าในแผนภาพที่สองจะมีการเชื่อมต่อขั้วของแหล่งพลังงานและแหล่ง EMF แทนขดลวด พวกมันเชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมโดยขั้วตรงข้ามและค่าของ EMF เหล่านี้จะถูกเพิ่ม

ดังนั้นจึงเกิดแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น

ในระหว่างกระบวนการเก็บพลังงานเหนี่ยวนำโหลดจะถูกขับเคลื่อนด้วยพลังงานซึ่งก่อนหน้านี้ถูกเก็บไว้ในตัวเก็บประจุที่ปรับให้เรียบ

ค่าสัมประสิทธิ์การแปลงใน IPPN2 คือ

กู่ = 1 / (1-D)

ดังที่เห็นได้จากสูตร - D ที่ใหญ่กว่าคือรอบการทำงาน ขั้วของกำลังขับนั้นเหมือนกับอินพุทของคอนเวอร์เตอร์ประเภทนี้

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ากลับหัวเป็นอย่างไร

ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้ากลับหัวเป็นอุปกรณ์ที่ค่อนข้างน่าสนใจเพราะสามารถทำงานได้ทั้งในโหมดลดแรงดันไฟฟ้าและในโหมดเพิ่ม อย่างไรก็ตามควรพิจารณาว่าขั้วของแรงดันเอาต์พุตตรงข้ามกับอินพุตนั่นคือ ศักยภาพเชิงบวกอยู่บนสายสามัญ

อินเวอร์ตยังสามารถสังเกตเห็นได้ในทิศทางที่ไดโอด D เปิดอยู่หลักการของการทำงานค่อนข้างคล้ายกับ IPPN2 ในขณะที่ปุ่ม T ถูกปิดกระบวนการของการสะสมพลังงานเหนี่ยวนำเกิดขึ้นพลังงานจากแหล่งที่มาไม่ได้เข้าสู่โหลดเนื่องจากไดโอด D เมื่อกุญแจถูกปิดพลังงานเหนี่ยวนำจะเริ่มกระจายไปในโหลด

ปัจจุบันยังคงไหลผ่านการเหนี่ยวนำ EMF เหนี่ยวนำตัวเองปรากฏขึ้นกำกับในลักษณะที่ขั้วตรงข้ามกับแหล่งพลังงานหลักจะเกิดขึ้นที่ปลายของขดลวด กล่าวคือ ในรอยต่อของตัวปล่อยของทรานซิสเตอร์ (ระบายถ้าหาก ทรานซิสเตอร์สนามผล) แคโทดของไดโอดและจุดสิ้นสุดของขดลวดขดลวดในรูปแบบที่มีศักยภาพเชิงลบ ตรงข้ามเป็นลำดับบวก

IPPN3 ปัจจัยการแปลงเท่ากับ:

Ku = D / (1-D)

ด้วยการแทนที่ตัวประกอบการเติมอย่างง่ายเข้าไปในสูตรเราตรวจสอบว่าสูงถึงค่า D ของ 0.5 ตัวแปลงนี้ทำหน้าที่เป็นตัวแปลงลงและจากด้านบน - เป็นตัวแปลงขึ้น

วิธีการควบคุมตัวแปลงดังกล่าว?

มีความเป็นไปได้ที่จะอธิบายตัวเลือกทั้งหมดสำหรับการสร้างตัวควบคุม PWM อย่างไร้ขีด จำกัด สามารถเขียนบทความทางเทคนิคเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้หลายเล่ม ฉันต้องการ จำกัด ตัวเองให้ทำรายการตัวเลือกง่ายๆสองสามอย่าง:

1. ประกอบวงจรมัลติไวเบรเตอร์แบบอสมมาตร แทนที่จะเป็น VT3 ทรานซิสเตอร์จะเชื่อมต่อในวงจร IPPN

2. ตัวเลือกที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อย แต่มีเสถียรภาพมากขึ้นในแง่ของความถี่คือ PWM บน NE555 (คลิกที่ภาพเพื่อขยาย)

ทำการเปลี่ยนแปลงบนวงจร VT1 เป็นทรานซิสเตอร์เราเปลี่ยนวงจรเพื่อให้มี IPPN ทรานซิสเตอร์

3. ตัวเลือกที่จะใช้ ไมโครคอนโทรลเลอร์ดังนั้นคุณสามารถทำฟังก์ชั่นเพิ่มเติมมากมายสำหรับผู้เริ่มต้นพวกมันจะทำงานได้ดี ไมโครคอนโทรลเลอร์ AVR. มีวิดีโอสอนที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับเรื่องนี้

ผลการวิจัย

การสลับเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเป็นหัวข้อที่สำคัญมากในอุตสาหกรรมอุปกรณ์จ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ วงจรดังกล่าวถูกนำมาใช้ทุกหนทุกแห่งและเมื่อไม่นานมานี้ด้วยการเติบโตของ "ทำที่บ้าน" หรือที่นิยมเรียกว่า "DIY's" และความนิยมของเว็บไซต์ aliexpress ตัวแปลงดังกล่าวได้กลายเป็นที่นิยมโดยเฉพาะและเป็นที่ต้องการคุณสามารถสั่งซื้อ LM2596 และสิ่งที่ชอบเพียงไม่กี่ดอลลาร์ในขณะที่คุณได้รับความสามารถในการปรับแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสหรือทั้งสองอย่าง

 

อีกหนึ่งบอร์ดยอดนิยมคือ mini-360

คุณอาจสังเกตเห็นว่าไม่มีทรานซิสเตอร์ในวงจรเหล่านี้ ความจริงก็คือมันถูกสร้างขึ้นในชิปนอกจากนั้นยังมีตัวควบคุม PWM วงจรป้อนกลับสำหรับสร้างเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้าออกและอื่น ๆ อย่างไรก็ตามวงจรเหล่านี้สามารถขยายได้โดยการติดตั้งทรานซิสเตอร์เพิ่มเติม

หากคุณสนใจในการออกแบบวงจรตามความต้องการของคุณคุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอัตราส่วนการออกแบบในเอกสารต่อไปนี้:

• “ ส่วนประกอบสำหรับการสร้างแหล่งพลังงาน”, Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, กลุ่ม บริษัท Symmetron

• "ตัวแปลงทรานซิสเตอร์ที่เสถียร" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986