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DC-DC-Wandler

 

Zur Versorgung verschiedener elektronischer Geräte werden DC / DC-Wandler sehr häufig eingesetzt. Sie werden in Computergeräten, Kommunikationsgeräten, verschiedenen Steuerungs- und Automatisierungsschaltungen usw. verwendet.


Transformator-Netzteile

Bei herkömmlichen Transformatorstromversorgungen wird die Netzspannung durch einen Transformator, der am häufigsten abgesenkt wird, auf den gewünschten Wert umgewandelt. Unterspannung durch eine Diodenbrücke gleichgerichtet und durch ein Kondensatorfilter geglättet. Bei Bedarf wird nach dem Gleichrichter ein Halbleiterstabilisator angebracht.

Transformatorstromversorgungen sind üblicherweise mit Linearstabilisatoren ausgestattet. Es gibt mindestens zwei Vorteile solcher Stabilisatoren: Es sind geringe Kosten und eine geringe Anzahl von Teilen im Kabelbaum. Diese Vorteile werden jedoch durch einen geringen Wirkungsgrad genutzt, da ein erheblicher Teil der Eingangsspannung zur Erwärmung des Steuertransistors verwendet wird, was für die Stromversorgung tragbarer elektronischer Geräte völlig inakzeptabel ist.


DC / DC-Wandler

Wenn das Gerät mit galvanischen Zellen oder Batterien betrieben wird, ist eine Spannungsumwandlung auf das gewünschte Niveau nur mit Hilfe von DC / DC-Wandlern möglich.

Die Idee ist ganz einfach: Eine konstante Spannung wird in der Regel mit einer Frequenz von mehreren zehn oder sogar Hunderten von Kilohertz in Wechselspannung umgewandelt, steigt (sinkt) und wird dann gleichgerichtet und der Last zugeführt. Solche Wandler werden oft als Impuls bezeichnet.

Ein Beispiel ist der Aufwärtswandler von 1,5 V auf 5 V, nur die Ausgangsspannung eines Computer-USB. Ein ähnlicher Stromrichter wird bei Aliexpress verkauft.

Wandler 1,5V / 5V

Abb. 1. 1,5 V / 5 V Wandler

Impulswandler sind insofern gut, als sie einen hohen Wirkungsgrad von 60 bis 90% aufweisen. Ein weiterer Vorteil von Impulswandlern ist ein breiter Bereich von Eingangsspannungen: Die Eingangsspannung kann niedriger als die Ausgangsspannung oder viel höher sein. Im Allgemeinen können DC / DC-Wandler in mehrere Gruppen unterteilt werden.


Klassifizierung von Konvertern


Step-down oder Buck

Die Ausgangsspannung dieser Wandler ist in der Regel niedriger als der Eingang: Ohne besondere Verluste bei der Erwärmung des Steuertransistors kann bei einer Eingangsspannung von 12 ... 50V eine Spannung von nur wenigen Volt erhalten werden. Der Ausgangsstrom solcher Wandler hängt von der Anforderung der Last ab, die wiederum die Schaltung des Wandlers bestimmt.

Ein anderer englischer Name für den Chopper-Buck-Konverter. Eine der Möglichkeiten, dieses Wort zu übersetzen, ist ein Breaker. In der Fachliteratur wird der Tiefsetzsteller manchmal als "Zerhacker" bezeichnet. Denken Sie vorerst nur an diesen Begriff.


Verbesserung oder Verbesserung der englischen Terminologie

Die Ausgangsspannung dieser Wandler ist höher als der Eingang. Beispielsweise kann mit einer Eingangsspannung von 5 V ein Ausgang von bis zu 30 V erhalten werden, außerdem kann er kontinuierlich geregelt und stabilisiert werden. Aufwärtswandler werden oft als Booster bezeichnet.


Universalkonverter - SEPIC

Die Ausgangsspannung dieser Wandler wird auf einem vorbestimmten Niveau gehalten, wobei die Eingangsspannung sowohl höher als der Eingang als auch niedriger ist. Es wird in Fällen empfohlen, in denen die Eingangsspannung erheblich variieren kann. In einem Auto kann die Batteriespannung beispielsweise zwischen 9 und 14 V variieren, und Sie müssen eine stabile Spannung von 12 V erhalten.


Wandler invertieren - Wandler invertieren

Die Hauptfunktion dieser Wandler besteht darin, die Ausgangsspannung mit umgekehrter Polarität relativ zur Stromquelle zu erhalten. Sehr praktisch in Fällen, in denen beispielsweise eine bipolare Ernährung erforderlich ist um den Operationsverstärker mit Strom zu versorgen.

Alle diese Wandler können stabilisiert oder nicht stabilisiert sein, die Ausgangsspannung kann galvanisch mit dem Eingang verbunden sein oder eine galvanische Trennung der Spannungen aufweisen. Dies hängt alles von dem Gerät ab, in dem der Konverter verwendet wird.

Um mit der weiteren Diskussion der DC / DC-Wandler fortzufahren, sollte man sich zumindest mit der Theorie befassen.


Chopper-Down-Konverter - Buck-Konverter

Das Funktionsdiagramm ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Pfeile auf den Drähten geben die Richtung der Ströme an.

Funktionsdiagramm des Chopper-Stabilisators

Abb. 2. Funktionsdiagramm des Chopper-Stabilisators

Die Eingangsspannung Uin wird an den Eingangsfilter - Kondensator Cin angelegt. Der VT-Transistor wird als Schlüsselelement verwendet und führt eine Hochfrequenzstromumschaltung durch. Das kann sein MOSFET-Strukturtransistor, IGBT entweder herkömmlicher Bipolartransistor. Zusätzlich zu diesen Teilen enthält die Schaltung eine Entladungsdiode VD und ein Ausgangsfilter - LCout, von dem die Spannung in die Last Rн eintritt.

Es ist leicht zu erkennen, dass die Last in Reihe mit den Elementen VT und L geschaltet ist. Daher ist die Schaltung konsistent. Wie kommt es zu einer Unterspannung?


Pulsweitenmodulation - PWM

Die Steuerschaltung erzeugt Rechteckimpulse mit einer konstanten Frequenz oder Periode, was im Wesentlichen dasselbe ist. Diese Impulse sind in Abbildung 3 dargestellt.

Steuerimpulse

Abb. 3. Steuerimpulse

Hier ist t die Impulszeit, der Transistor ist offen, tp ist die Pausenzeit und der Transistor ist geschlossen. Das ti / T-Verhältnis wird als Tastverhältnis bezeichnet, das mit dem Buchstaben D bezeichnet wird und in %% oder einfach in Zahlen ausgedrückt wird. Zum Beispiel stellt sich bei D gleich 50% heraus, dass D = 0,5 ist.

Somit kann D von 0 bis 1 variieren. Mit einem Wert von D = 1 befindet sich der Schlüsseltransistor in einem Zustand voller Leitfähigkeit und bei D = 0 in einem Grenzzustand, einfach gesagt, ist er geschlossen. Es ist leicht zu erraten, dass bei D = 50% die Ausgangsspannung gleich der Hälfte des Eingangs ist.

Es ist ziemlich offensichtlich, dass die Regelung der Ausgangsspannung aufgrund einer Änderung der Breite des Steuerimpulses t und tatsächlich einer Änderung des Koeffizienten D erfolgt. Dieses Regelungsprinzip wird genannt pulsbreitenmodulierte PWM (PWM). In fast allen Schaltnetzteilen wird die Ausgangsspannung gerade mit Hilfe von PWM stabilisiert.


In den in den Abbildungen 2 und 6 gezeigten Diagrammen ist die PWM in den Rechtecken mit der Aufschrift „Steuerschaltung“ „versteckt“, die einige zusätzliche Funktionen ausführt. Dies kann beispielsweise ein reibungsloser Start der Ausgangsspannung, ein Ferneinschalten oder ein Schutz des Wandlers gegen Kurzschluss sein.

Im Allgemeinen waren Konverter so weit verbreitet, dass Unternehmen elektronische Komponenten für PWM-Steuerungen für alle Gelegenheiten herstellten. Der Bereich ist so groß, dass Sie ein ganzes Buch benötigen, um sie aufzulisten. Daher fällt es niemandem ein, Konverter auf diskreten Elementen oder, wie sie oft sagen, auf "losem Pulver" zu montieren.

Darüber hinaus können fertige Konverter mit geringer Kapazität bei Aliexpress oder Ebay zu einem geringen Preis gekauft werden. Gleichzeitig reicht es für die Installation in einem amateurhaften Design aus, die Eingangs- und Ausgangsdrähte an die Platine zu löten und die erforderliche Ausgangsspannung einzustellen.

Aber zurück zu unserer Abbildung 3. In diesem Fall bestimmt der Koeffizient D, wie viel Zeit offen (Phase 1) oder geschlossen (Phase 2) sein wird. Schlüsseltransistor. Für diese beiden Phasen können Sie sich das Diagramm in zwei Abbildungen vorstellen. Die Abbildungen zeigen NICHT die Elemente, die in dieser Phase nicht verwendet werden.

Phase 1

Abb. 4. Phase 1

Wenn der Transistor geöffnet ist, fließt der Strom von der Stromquelle (galvanische Zelle, Batterie, Gleichrichter) durch eine induktive Drossel L, eine Last Rн und einen Ladekondensator Cout. In diesem Fall fließt ein Strom durch die Last, der Kondensator Cout und der Induktor L sammeln Energie. Der Strom iL steigt allmählich an, der Effekt der Induktivität des Induktors beeinflusst. Diese Phase wird als Pumpen bezeichnet.

Nachdem die Spannung an der Last den eingestellten Wert erreicht hat (bestimmt durch die Einstellungen des Steuergeräts), schließt der Transistor VT und das Gerät bewegt sich in die zweite Phase - die Entladephase. Der geschlossene Transistor in der Figur ist überhaupt nicht gezeigt, als ob er nicht existierte. Dies bedeutet jedoch nur, dass der Transistor geschlossen ist.

Phase 2

Abb. 5. Phase 2

Wenn der Transistor VT geschlossen ist, tritt keine Energiezufuhr in der Induktivität auf, da die Stromquelle ausgeschaltet ist. Die Induktivität L soll eine Änderung der Größe und Richtung des durch die Induktorwicklung fließenden Stroms (Selbstinduktion) verhindern.

Daher kann der Strom nicht sofort stoppen und schließt durch den Diodenlastkreis. Aus diesem Grund wird die VD-Diode als Bit bezeichnet. Dies ist in der Regel eine Hochgeschwindigkeits-Schottky-Diode. Nach der Regelperiode von Phase 2 schaltet die Schaltung auf Phase 1 um, der Vorgang wird erneut wiederholt. Die maximale Spannung am Ausgang der betrachteten Schaltung kann gleich dem Eingang sein und nicht mehr. Um eine Ausgangsspannung zu erhalten, die größer als die Eingangsspannung ist, werden Aufwärtswandler verwendet.

Es sollte beachtet werden, dass tatsächlich nicht alles so einfach ist wie oben geschrieben: Es wird angenommen, dass alle Komponenten perfekt sind, d.h. Das Ein- und Ausschalten erfolgt unverzüglich und der aktive Widerstand ist Null. Bei der praktischen Herstellung solcher Schemata müssen viele Nuancen berücksichtigt werden, da vieles von der Qualität der verwendeten Komponenten und der parasitären Kapazität der Anlage abhängt. Nur über ein so einfaches Detail wie eine Drossel (naja, nur eine Drahtspule!) Können Sie mehr als einen Artikel schreiben.

Derzeit muss nur der Induktivitätswert selbst abgerufen werden, der zwei Chopper-Betriebsarten bestimmt. Bei unzureichender Induktivität arbeitet der Wandler im diskontinuierlichen Strommodus, der für Stromquellen völlig inakzeptabel ist.

Wenn die Induktivität groß genug ist, erfolgt die Arbeit im Dauerstrommodus, der die Verwendung der Ausgangsfilter ermöglicht, um eine konstante Spannung mit einem akzeptablen Welligkeitsniveau zu erhalten. Im Dauerstrommodus arbeiten auch Aufwärtswandler, die nachfolgend beschrieben werden.

Für eine gewisse Effizienzsteigerung wird die VD-Entladungsdiode durch einen MOSFET-Transistor ersetzt, der zum richtigen Zeitpunkt von der Steuerschaltung geöffnet wird. Solche Wandler werden als synchron bezeichnet. Ihre Verwendung ist gerechtfertigt, wenn die Leistung des Konverters groß genug ist.


Step-up- oder Boost-Boost-Wandler

Aufwärtswandler werden hauptsächlich für die Niederspannungsversorgung verwendet, beispielsweise für zwei bis drei Batterien, und einige Komponenten benötigen 12 ... 15 V bei geringem Stromverbrauch. Sehr oft wird der Aufwärtswandler kurz und deutlich als „Booster“ bezeichnet.

Funktionsdiagramm des Aufwärtswandlers

Abb. 6. Funktionsdiagramm des Aufwärtswandlers

Die Eingangsspannung Uin wird an das Eingangsfilter Cin angelegt und an das in Reihe geschaltete angelegt Induktor L und Schalttransistor VT. Eine Diode VD ist mit dem Verbindungspunkt der Spule und dem Drain des Transistors verbunden. Eine Last Rн und ein Nebenschlusskondensator Cout sind mit dem anderen Anschluss der Diode verbunden.

Der Transistor VT wird von einer Steuerschaltung gesteuert, die ein stabiles Frequenzsteuersignal mit einem einstellbaren Arbeitszyklus D auf die gleiche Weise wie oben in der Beschreibung der Zerhackerschaltung (Fig. 3) beschrieben erzeugt. Die VD-Diode blockiert zum richtigen Zeitpunkt die Last vom Schlüsseltransistor.

Wenn der Schlüsseltransistor offen ist, ist der rechte Ausgang der Spule L mit dem negativen Pol der Stromversorgung Uin verbunden. Steigender Strom (der Effekt der Induktivität beeinflusst) von der Stromquelle fließt durch die Spule und einen offenen Transistor, Energie wird in der Spule akkumuliert.

Zu diesem Zeitpunkt blockiert die VD-Diode die Last und den Ausgangskondensator von der Schlüsselschaltung, wodurch die Entladung des Ausgangskondensators durch einen offenen Transistor verhindert wird. Die Last wird in diesem Moment von der im Kondensator Cout gespeicherten Energie gespeist. Natürlich fällt die Spannung am Ausgangskondensator ab.

Sobald die Ausgangsspannung geringfügig unter den eingestellten Wert fällt (bestimmt durch die Einstellungen des Steuerkreises), schließt der Schlüsseltransistor VT und die in der Induktivität gespeicherte Energie lädt den Kondensator Cout über die Diode VD auf, die die Last speist. In diesem Fall wird die Selbstinduktions-EMK der Spule L zur Eingangsspannung addiert und auf die Last übertragen, daher ist die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung.

Wenn die Ausgangsspannung den eingestellten Stabilisierungspegel erreicht, öffnet die Steuerschaltung den Transistor VT und der Vorgang wird ab der Phase der Energiespeicherung wiederholt.

Universalwandler - SEPIC (Single-Ended-Primärinduktivitätswandler oder Wandler mit asymmetrisch belasteter Primärinduktivität).

Solche Wandler werden hauptsächlich verwendet, wenn die Last eine geringe Leistung hat und sich die Eingangsspannung relativ zum Ausgang nach oben oder unten ändert.

Funktionsplan des SEPIC-Wandlers

Abb. 7. Funktionsplan des SEPIC-Wandlers

Es ist der in 6 gezeigten Aufwärtswandlerschaltung sehr ähnlich, weist jedoch zusätzliche Elemente auf: Kondensator C1 und Spule L2. Es sind diese Elemente, die den Betrieb des Wandlers im Unterspannungsmodus sicherstellen.

SEPIC-Wandler werden in Fällen verwendet, in denen die Eingangsspannung stark variiert. Ein Beispiel ist ein 4V-35V bis 1,23V-32V Boost-Buck-Spannungsregler. Unter diesem Namen wird ein Konverter in chinesischen Geschäften verkauft, dessen Schaltung in Abbildung 8 dargestellt ist (zum Vergrößern auf das Bild klicken).

Schematische Darstellung des SEPIC-Wandlers

Abb. 8. Schematische Darstellung des SEPIC-Wandlers

Abbildung 9 zeigt das Erscheinungsbild der Platine mit der Bezeichnung der Hauptelemente.

Aussehen des SEPIC-Konverters

Abb. 9. Aussehen des SEPIC-Konverters

Die Abbildung zeigt die Hauptteile gemäß Abbildung 7. Achten Sie auf das Vorhandensein von zwei Spulen L1 L2. Anhand dieser Funktion kann festgestellt werden, dass dies genau der SEPIC-Konverter ist.

Die Eingangsspannung der Karte kann im Bereich von 4 ... 35 V liegen. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung innerhalb von 1,23 ... 32 V eingestellt werden. Die Betriebsfrequenz des Konverters beträgt 500 kHz. Bei einer geringen Größe von 50 x 25 x 12 mm liefert die Karte eine Leistung von bis zu 25 Watt. Maximaler Ausgangsstrom bis zu 3A.

Aber hier sollte eine Bemerkung gemacht werden. Wenn die Ausgangsspannung auf 10 V eingestellt ist, darf der Ausgangsstrom nicht höher als 2,5 A (25 W) sein. Bei einer Ausgangsspannung von 5 V und einem maximalen Strom von 3 A beträgt die Leistung nur 15 W. Die Hauptsache hier ist, es nicht zu übertreiben: entweder die maximal zulässige Leistung nicht überschreiten oder den zulässigen Strom nicht überschreiten.

Siehe auch: Schaltnetzteile - Funktionsprinzip

Boris Aladyshkin

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • Timer 555. Spannungswandler
  • Einfache transformatorlose Impulsspannungswandler
  • Einige einfache LED-Stromversorgungsschemata
  • PWM - 555 Motordrehzahlregler
  • Was ist ein PWM-Controller, wie ist er angeordnet und funktioniert, Typen und Schemata

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