Einfache transformatorlose Impulsspannungswandler

Vielen Schinken für Anfänger fällt es schwer, die Art der Stromversorgung zu bestimmen, aber es ist nicht so schwierig. Die Hauptmethoden der Spannungsumwandlung sind die Verwendung einer von zwei Schaltungsoptionen:

• Transformator;

• Transformatorlose Netzteile.

Transformatoren unterscheiden sich wiederum in der Art der Schaltung:

• Netz mit einem Transformator, der mit einer Frequenz von 50 Hz arbeitet;

• Impuls mit einem Transformator, der bei hohen Frequenzen (Zehntausende von Hz) arbeitet.

Impulsschaltungen von Netzteilen können den Gesamtwirkungsgrad des Endprodukts erhöhen, indem statische Verluste an Linearstabilisatoren und anderen Elementen vermieden werden.

Transformatorlose Schaltungen

Wenn eine 220-V-Haushaltsstromversorgung mit Strom versorgt werden muss, können die einfachsten Geräte über Stromversorgungselemente mit Vorschaltelementen eingeschaltet werden, um die Spannung zu senken. Ein weithin bekanntes Beispiel für eine solche Stromquelle ist eine Ballastkondensatorschaltung.

Es gibt jedoch eine Reihe von Treibern mit integriertem Treiber PWM-Controller und einen Netzschlüssel zum Aufbau eines transformatorlosen Impulsabwärtswandlers, die in sehr häufig vorkommen LED-Glühbirnen und andere Technologie.

Verwenden Sie bei Strom aus einer Gleichstromquelle, z. B. Batterien oder anderen galvanischen Batterien, Folgendes:

• Linearer Spannungsstabilisator (integrierter Stabilisator vom Typ KREN oder L78xx mit oder ohne Durchführungstransistor, parametrischer Stabilisator aus einer Zenerdiode und Transistor)

• Impulswandler (Step-Down - BUCK, Step-Up - BOOST oder Step-Up - BUCK-BOOST)

Die Vorteile transformatorloser Netzteile und Wandler sind folgende:

• Der Transformator muss nicht gewickelt werden. Die Umwandlung erfolgt über Gas und Schlüssel.

• Eine Folge der vorherigen sind die geringen Abmessungen der Stromquellen.

Nachteile:

• Das Fehlen einer galvanischen Trennung bei Fehlfunktionen der Schlüssel führt zum Auftreten einer Spannung der primären Stromquelle. Dies ist besonders wichtig, wenn seine Rolle von einem 220-V-Netzwerk gespielt wird.

• Stromschlaggefahr durch galvanische Kopplung;

• Die großen Abmessungen des Induktors bei Hochleistungswandlern werfen Zweifel an der Machbarkeit der Verwendung dieser Topologie von Netzteilen auf. Mit vergleichbaren Gewichts- und Größenindikatoren können Sie einen galvanisch getrennten Transformator verwenden.

Die Hauptvarianten von Schaltspannungswandlern

In der heimischen Literatur wird häufig die Abkürzung "IPPN" gefunden, die steht für: Impulsabsenkungsspannungswandler (oder Aufwärtsspannungsspannungswandler oder beides)

Als Basis können drei Grundschemata unterschieden werden.

1. IPPN1 - Abwärtswandler, in der englischen Literatur - BUCK DC CONVERTER oder Abwärtswandler.

2. IPPN2 - Boost Converter, in der englischen Literatur - BOOST DC CONVERTER oder Step-up.

3. IPPN3 - Invertierender Wandler mit der Möglichkeit, die Spannung zu erhöhen und zu verringern, BUCK-BOOST DC CONVERTER.

Wie funktioniert ein gepulster Abwärtswandler?

Betrachten wir zunächst das Funktionsprinzip des ersten Schemas IPPN1.

 

In der Schaltung können zwei Versorgungskreise unterschieden werden:

1. "+" von der Stromquelle wird über einen privaten Schlüssel (Transistor eines beliebigen Typs der entsprechenden Leitfähigkeit) an Lн (Speicherdrossel) geliefert, dann fließt der Strom durch die Last zur "-" Stromquelle.

2. Die zweite Schaltung besteht aus Diode Д, Gas Lн und angeschlossene Last Rн.

Wenn der Schlüssel geschlossen ist, fließt der Strom entlang des Primärkreises, Strom fließt durch den Induktor und Energie wird in seinem Magnetfeld akkumuliert. Wenn wir den Schlüssel ausschalten (öffnen), wird die in der Spule gespeicherte Energie an die Last abgegeben, während der Strom durch den zweiten Stromkreis fließt.

Die Spannung am Ausgang (Last) eines solchen Wandlers beträgt

Uout = Uin * Ku

Ku ist der Umwandlungskoeffizient, der vom Arbeitszyklus der Steuerimpulse des Leistungsschalters abhängt.

Ku = Uout / Uin

Das Tastverhältnis "D" ist das Verhältnis der Zeit, zu der der Schlüssel zur PWM-Periode geöffnet ist. "D" kann Werte von 0 bis 1 annehmen.

WICHTIG: Für STI1 Ku = D. Dies bedeutet, dass die Regelgrenzen dieses Stabilisators ungefähr gleich sind - 0 ... Uout.

Die Ausgangsspannung eines solchen Wandlers ist in der Polarität der Eingangsspannung ähnlich.

Wie funktioniert ein Impulsverstärker

IPPN2 - kann die Spannung von der Versorgungsspannung auf einen zehnmal höheren Wert erhöhen. Schematisch besteht es aus den gleichen Elementen wie das vorherige.

Jeder Konverter dieses Typs hat in seiner Zusammensetzung drei Hauptwirkstoffe:

• Verwalteter Schlüssel (Bipolar, Feld, IGBT, MOSFET-Transistoren);

• Unkontrollierter Schlüssel (Gleichrichterdiode);

• Kumulative Induktivität.

Der Strom fließt immer durch die Induktivität, nur seine Größe ändert sich.

Um das Funktionsprinzip dieses Wandlers zu verstehen, müssen Sie das Schaltgesetz für die Induktivität beachten: "Der Strom durch die Induktivität kann sich nicht sofort ändern."

Dies wird durch ein Phänomen wie Selbstinduktions-EMF oder Gegen-EMF verursacht. Da das elektromagnetische Feld der Induktivität eine abrupte Stromänderung verhindert, kann die Spule als Stromquelle dargestellt werden. Wenn dann in diesem Stromkreis der Schlüssel durch die Spule geschlossen wird, beginnt ein Strom großer Größe zu fließen, der jedoch, wie scharf gesagt wurde, nicht ansteigen kann.

Gegen-EMK ist ein Phänomen, wenn an den Enden der Spule eine EMF entgegengesetzt zu dem auftritt, was angewendet wird. Wenn Sie dies der Übersichtlichkeit halber im Diagramm darstellen, müssen Sie sich den Induktor in Form einer EMF-Quelle vorstellen.

Die Zahl „1“ gibt den Zustand des Stromkreises an, wenn der Schlüssel geschlossen ist. Bitte beachten Sie, dass die Stromquelle und die Symbol-EMF-Spulen in Reihe mit den positiven Anschlüssen geschaltet sind, d. H. ihre EMF-Werte werden abgezogen. In diesem Fall verhindert die Induktivität den Durchgang von elektrischem Strom oder verlangsamt vielmehr dessen Wachstum. Wenn es wächst, nimmt nach einem bestimmten konstanten Zeitintervall der Wert der Gegen-EMK ab und der Strom durch die Induktivität nimmt zu.

Lyrischer Exkurs:

Der Wert der EMK der Selbstinduktion wird wie jede andere EMK in Volt gemessen.

Während dieser Zeit fließt der Hauptstrom entlang des Stromkreises: Schlüssel mit geschlossener Stromquelle, Induktivität.

Wenn der Schlüssel SA öffnet, beginnt Stromkreis 2. Strom fließt entlang eines solchen Stromkreises: Stromversorgung-Induktivitäts-Diodenlast. Da der Lastwiderstand oft viel größer ist als der Kanalwiderstand eines geschlossenen Transistors. Auch in diesem Fall kann sich der durch die Induktivität fließende Strom nicht abrupt ändern. Die Induktivität versucht immer, die Richtung und Größe des Stroms beizubehalten. Daher erscheint die Gegen-EMK erneut, jedoch in umgekehrter Polarität.

Beachten Sie, wie im zweiten Diagramm die Pole der Stromquelle und der EMF-Quelle, die die Spule ersetzen, verbunden sind. Sie sind durch entgegengesetzte Pole in Reihe geschaltet, und die Werte dieser EMF werden addiert.

Somit tritt ein Spannungsanstieg auf.

Während des Speichervorgangs der Induktivitätsenergie wird die Last mit Energie betrieben, die zuvor im Glättungskondensator gespeichert war.

Der Umrechnungskoeffizient in IPPN2 beträgt

Ku = 1 / (1-D)

Wie aus der Formel ersichtlich ist - je größer D das Tastverhältnis ist, desto größer ist die Ausgangsspannung. Die Polarität der Ausgangsleistung entspricht der des Eingangs für diesen Wandlertyp.

Wie funktioniert der invertierende Spannungswandler?

Der invertierende Spannungswandler ist ein ziemlich interessantes Gerät, da er sowohl im Spannungsabsenkungsmodus als auch im Boost-Modus arbeiten kann. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Polarität seiner Ausgangsspannung dem Eingang entgegengesetzt ist, d.h. Das positive Potential liegt am gemeinsamen Draht.

Das Invertieren macht sich auch in der Richtung bemerkbar, in der die Diode D eingeschaltet ist. Das Funktionsprinzip ist IPPN2 etwas ähnlich. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schlüssel T geschlossen ist, tritt der Prozess der Akkumulation von Induktivitätsenergie auf, die Leistung von der Quelle gelangt aufgrund der Diode D nicht in die Last. Wenn der Schlüssel geschlossen wird, beginnt sich die Induktivitätsenergie in der Last zu zerstreuen.

Der Strom fließt weiter durch die Induktivität, es tritt eine EMK der Selbstinduktion auf, die so gerichtet ist, dass an den Enden der Spule eine der primären Stromquelle entgegengesetzte Polarität gebildet wird. Das heißt, im Übergang des Emitters des Transistors (Drain, wenn Feldeffekttransistor) bilden die Kathode der Diode und das Ende der Spulenwicklung ein negatives Potential. Am anderen Ende ist jeweils positiv.

Der Umrechnungsfaktor IPPN3 ist gleich:

Ku = D / (1-D)

Durch einfaches Einsetzen des Füllfaktors in die Formel stellen wir fest, dass dieser Wandler bis zu einem Wert von D von 0,5 als Abwärtswandler und von oben als Aufwärtswandler fungiert.

Wie steuere ich einen solchen Konverter?

Es ist möglich, alle Möglichkeiten zum Aufbau von PWM-Reglern unendlich zu beschreiben, darüber können mehrere Bände technischer Literatur geschrieben werden. Ich möchte mich darauf beschränken, einige einfache Optionen aufzulisten:

1. Bauen Sie eine asymmetrische Multivibratorschaltung zusammen. Anstelle von VT3 ist in den IPPN-Schaltungen ein Transistor angeschlossen.

2. Eine etwas kompliziertere Option, die jedoch in Bezug auf die Frequenz stabiler ist, ist PWM auf NE555 (Klicken Sie auf das Bild, um es zu vergrößern).

Nehmen Sie Änderungen an der Schaltung vor, VT1 ist ein Transistor, wir ändern die Schaltung so, dass an ihrer Stelle ein Transistor IPPN vorhanden ist.

3. Option zur Verwendung MikrocontrollerSie können also auch viele zusätzliche Funktionen ausführen. Für Anfänger funktionieren sie gut AVR-Mikrocontroller. Es gibt ein wunderbares Video-Tutorial dazu.

Schlussfolgerungen

Schaltspannungswandler sind ein sehr wichtiges Thema in der Industrie der Stromversorgungen für elektronische Geräte. Solche Schaltungen werden überall verwendet, und in letzter Zeit, mit dem Wachstum von "hausgemacht" oder wie es heute in Mode ist, "DIY's" zu nennen, und der Popularität der aliexpress-Website, sind solche Konverter besonders beliebt geworden und gefragt, können Sie eine fertige Leiterplatte bestellen, für die bereits ein klassischer Konverter geworden ist LM2596 und dergleichen für nur ein paar Dollar, während Sie die Möglichkeit haben, die Spannung oder den Strom oder beides einzustellen.

 

Ein weiteres beliebtes Board ist das Mini-360

Möglicherweise stellen Sie fest, dass sich in diesen Schaltkreisen kein Transistor befindet. Tatsache ist, dass es in den Chip eingebaut ist, außer dass es einen PWM-Controller, Rückkopplungsschaltungen zur Stabilisierung der Ausgangsspannung und mehr gibt. Diese Schaltungen können jedoch durch Installieren eines zusätzlichen Transistors verstärkt werden.

Wenn Sie daran interessiert sind, eine Schaltung für Ihre Anforderungen zu entwerfen, können Sie in der folgenden Literatur mehr über die Entwurfsverhältnisse lesen:

• „Komponenten für den Bau von Stromquellen“, Mikhail Baburin, Alexey Pavlenko, Symmetron Group of Companies

• "Stabilisierte Transistorkonverter" V.S. Moin, Energoatomizdat, M. 1986.